Diese Anmeldung nimmt zum Ersten die Priorität der Teilung aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 120 076.8 vom 25.07.2019 in Anspruch. Das Aktenzeichen des deutschen Patent- und Markenamts dieser Teilung aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 120 076.8 vom 25.07.2019 ist zum Zeitpunkt der Anmeldung der hier vorgelegten deutschen Patentanmeldung noch unbekannt und wird nachgereicht. Die Priorität der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 120 076.8 vom 25.07.2019 selbst wird jedoch ausdrücklich nicht in Anspruch genommen, da dies zum Verfall der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 120 076.8 vom 25.07.2019 durch Inanspruchnahme der inneren Priorität führen würde.First of all, this application takes priority of the division from the as yet unpublished German patent application DE 10 2019 120 076.8 from 07/25/2019. The file number of the German Patent and Trademark Office of this division from the as yet unpublished German patent application DE 10 2019 120 076.8 dated July 25, 2019 is still unknown at the time of registration of the German patent application presented here and will be submitted later. The priority of the as yet unpublished German patent application DE 10 2019 120 076.8 dated July 25, 2019 itself is expressly not used, as this will expire the as yet unpublished German patent application DE 10 2019 120 076.8 of July 25, 2019 by claiming the internal priority.
Diese Anmeldung nimmt zum Zweiten die Priorität der Teilung aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 121 137.9 vom 05.08.2019 in Anspruch. Das Aktenzeichen des deutschen Patent- und Markenamts dieser Teilung aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 121 137.9 vom 05.08.2019 ist zum Zeitpunkt der Anmeldung der hier vorgelegten deutschen Patentanmeldung noch unbekannt und wird nachgereicht. Die Priorität der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 121 137.9 vom 05.08.2019 selbst wird jedoch ausdrücklich nicht in Anspruch genommen, da dies zum Verfall der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 121 137.9 vom 05.08.2019 durch Inanspruchnahme der inneren Priorität führen würde.Second, this application takes priority of the division from the as yet unpublished German patent application DE 10 2019 121 137.9 from 08/05/2019. The file number of the German Patent and Trademark Office of this division from the as yet unpublished German patent application DE 10 2019 121 137.9 dated 05.08.2019 is still unknown at the time of filing the German patent application presented here and will be submitted later. The priority of the as yet unpublished German patent application DE 10 2019 121 137.9 of 05.08.2019 itself, however, is expressly not used as this will expire the as yet unpublished German patent application DE 10 2019 121 137.9 from 05.08.2019 by claiming the internal priority.
OberbegriffGeneric term
Die Erfindung richtet sich ein Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System, wobei der optische Sender des Sensorsystems gechoppert wird und durch eine spezielle Maßnahem alle Reste der Copper-Frequenz aus dem Spektrum des Sensorausgangssignals entfernt werden. Das Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System umfasst ein paramagnetisches Zentrum im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen System ist. Das paramagnetische Zentrum ist bevorzugt ein NV-Zentrum in einem Diamantkristall als Sensorelement und Diamant als Material.The invention is directed to a sensor system and / or quantum technology system, the optical transmitter of the sensor system being chopped and, by a special measure, all residues of the copper frequency being removed from the spectrum of the sensor output signal. The sensor system and / or quantum technological system comprises a paramagnetic center in the material of a sensor element and / or quantum technological device element which is part of the sensor system and / or quantum technological system. The paramagnetic center is preferably an NV center in a diamond crystal as the sensor element and diamond as the material.
Allgemeine EinleitungGeneral introduction
In letzter Zeit werden sehr viele Publikationen zur Verwendung von NV-Zentren als Quantenpunkte für Quantum-Sensing, Quantum-Computing und Quantum-Kryptografie getätigt.Recently, a great many publications have been made on the use of NV centers as quantum dots for quantum sensing, quantum computing and quantum cryptography.
Ein Problem ist der unzureichende Störabstand aller Systeme.One problem is the insufficient signal-to-noise ratio of all systems.
Aufgabetask
Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.The proposal is therefore based on the object of creating a solution which does not have the above disadvantages of the prior art and has further advantages.
Diese Aufgabe wird durch Vorrichtungen nach Anspruch 1 und 10 und Verfahren nach Anspruch 3 und 6 und 9 gelöst.This object is achieved by devices according to claims 1 and 10 and methods according to claims 3 and 6 and 9.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Die Erfindung betrifft ein Quantensensorsystem, wobei das Sensorsystem ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems ist, umfasst. Das Sensorsystem und/oder quantentechnologische Systems umfasst eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB) mit der die Pumpstrahlungsquelle (PL1) das paramagnetische Zentrum (NV1) bestrahlt. Die Pumpstrahlung (LB) veranlasst das paramagnetische Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL). Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) für die Pumpstrahlung (LB), beispielsweise eine LED, ist über einen optischen Pfad mit dem paramagnetischen Zentrum (NV1) gekoppelt. Bevorzugt ist die Pumpstrahlungsquelle (PL1) eine grüne LED oder ein Pumplaser mit grüner Pumpstrahlung (LB), während die Fluoreszenzstrahlung (FL) typischerweise rot ist.The invention relates to a quantum sensor system, the sensor system having a paramagnetic center ( NV1 ) in the material of a sensor element and / or quantum technological device element that is part of the sensor system and / or quantum technological system. The sensor system and / or quantum technology system includes a pump radiation source ( PL1 ) for pump radiation ( LB ) with which the pump radiation source ( PL1 ) the paramagnetic center ( NV1 ) irradiated. The pump radiation ( LB ) causes the paramagnetic center ( NV1 ) to emit fluorescence radiation ( FL ). The pump radiation source ( PL1 ) for the pump radiation ( LB ), for example an LED, is via an optical path with the paramagnetic center ( NV1 ) coupled. The pump radiation source is preferred ( PL1 ) a green LED or a pump laser with green pump radiation ( LB ), while the fluorescence radiation ( FL ) is typically red.
Bevorzugt ist dabei wobei das Sensorelement und/oder quantentechnologische Vorrichtungselement ein Diamantkristall. Das paramagnetische Zentrum (NV1) ist bevorzugt ein NV-Zentrum in dem besagten Diamantkristall. Ein solches Sensorsystem ist in der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 127 394 .0 beschrieben.The sensor element and / or quantum technological device element is preferably a diamond crystal. The paramagnetic center ( NV1 ) is preferably an NV center in said diamond crystal. Such a sensor system is in the as yet unpublished German patent application DE 10 2018 127 394 .0 described.
Zur Vereinfachung wird im Folgenden der Begriff Sensorelement als Synonym für ein Sensorelement und/oder ein quantentechnologisches Vorrichtungselement verwendet.For the sake of simplicity, the term sensor element is used below as a synonym for a sensor element and / or a quantum technological device element.
Des Weiteren wird eine integrierte Schaltung zur Verwendung mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements mit einem Treiber zum Betreiben einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB) und mit einem Empfänger (PD1), zur Detektion von Fluoreszenzstrahlung des paramagnetischen Zentrums (NV1) und mit einem Auswerteschaltkreis zur Erzeugung eines Sensorausgangssignals (out), das von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Material eines Sensorelements abhängt vorgeschlagen. Dabei ist das Sensorelement bevorzugt ein Diamantkristall. Das paramagnetische Zentrum (NV1) ist bevorzugt ein NV-Zentrum in dem Diamantkristall.An integrated circuit for use with a paramagnetic center ( NV1 ) in the material of a sensor element with a driver for operating a pump radiation source ( PL1 ) for pump radiation ( LB ) and with a recipient ( PD1 ), for the detection of fluorescence radiation from the paramagnetic center ( NV1 ) and with an evaluation circuit for generating a sensor output signal ( out ) caused by the fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic center ( NV1 ) in the material of a sensor element is proposed. The sensor element is preferably a diamond crystal. The paramagnetic center ( NV1 ) is preferably an NV center in the diamond crystal.
Es wird somit eine bevorzugt integrierte Schaltung (IC) zur Verwendung mit einem paramagnetischen Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mit einem Treiber zum Betreiben einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) zur Aussendung von Pumpstrahlung (LB) und mit einem Empfänger (PD1) zur selektiven Detektion von Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) vorgeschlagen. Der Empfänger (PD1) ist bevorzugt dazu vorgesehen, im Sinne der besagten Selektivität die Pumpstrahlung (LB) im Wesentlichen nicht zu detektieren. Die integrierte Schaltung (IC) umfasst des Weiteren bevorzugt einem Auswerteschaltkreis (M1, TP, M2, G) zur Erzeugung eines Sensorausgangssignals (out), das von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements abhängt. Der integrierte Schaltkreis (IC) verfügt bevorzugt über eine Halteschaltung (S&H). Die Halteschaltung (S&H) weist dabei einen Eingang und einen Ausgang auf. Die Halteschaltung (S&H) ist dabei bevorzugt in den Signalpfad zwischen Empfänger (PD1) und Sensorausgangssignal (out) geschaltet. Bevorzugt wird eine Halteschaltung (S&H) zwischen ersten Multiplizierer (M1) und Filter und/oder Integrator (TP) und/oder nach dem Filter und/oder Integrator (TP) in den Signalpfad eingefügt. Die Halteschaltung (S&H) hält dabei in ersten Zeiträumen ihr Ausgangssignal an ihrem Ausgang im Wesentlichen konstant, fiert es also quasi ein. Die Halteschaltung (S&H) ändert in zweiten Zeiträumen, die von den ersten Zeiträumen verschieden sind, ihr Ausgangssignal an ihrem Ausgang in Abhängigkeit von dem Signal an ihrem Eingang. Sie ist in diesen zweiten Zeiträumen also quasi transparent.A preferred integrated circuit ( IC ) for use with a paramagnetic center ( NV1 ) in the material of a sensor element and / or quantum technological device element with a driver for operating a pump radiation source ( PL1 ) for emitting pump radiation ( LB ) and with a recipient ( PD1 ) for the selective detection of fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic center ( NV1 ) suggested. Recipient ( PD1 ) is preferably provided for the purpose of said selectivity, the pump radiation ( LB ) essentially undetectable. The integrated circuit ( IC ) further preferably comprises an evaluation circuit ( M1 , TP , M2 , G ) to generate a sensor output signal ( out ) caused by the fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic center ( NV1 ) depends in the material of a sensor element and / or quantum technological device element. The integrated circuit ( IC ) preferably has a hold circuit ( S&H ). The hold circuit ( S&H ) has an input and an output. The hold circuit ( S&H ) is preferably in the signal path between the receiver ( PD1 ) and sensor output signal ( out ) switched. A hold circuit is preferred ( S&H ) between first multiplier ( M1 ) and filter and / or integrator ( TP ) and / or after the filter and / or integrator ( TP ) inserted into the signal path. The hold circuit ( S&H ) keeps its output signal essentially constant at its output in the first time periods, i.e. it virtually locks it in. The hold circuit ( S&H ) changes in second time periods that are different from the first time periods, its output signal at its output as a function of the signal at its input. So it is more or less transparent in these second periods.
Bevorzugt ist das Sensorelement und/oder quantentechnologische Vorrichtungselement ein Diamantkristall, wobei bevorzugt das paramagnetische Zentrum (NV1) ein NV-Zentrum und/oder ein ST1-Zentrum in dem Diamantkristall ist.The sensor element and / or quantum technological device element is preferably a diamond crystal, the paramagnetic center ( NV1 ) is an NV center and / or an ST1 center in the diamond crystal.
Bei einem hier offengelegten Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems umfasst das Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems ist. Das Verfahren umfasst dann beispielsweise den Schritt des modulierten Aussendens einer modulierten Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), wobei die Modulation des Aussendens mittels eines Sendesignals (S5) erfolgt. Ein weiterer Schritt des Verfahrens ist das Erzeugen einer modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) mittels eines paramagnetischen Zentrums (NV1) in einem Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, die von der modulierten Pumpstrahlung (LB) abhängt. Es folgt der Schritt des Empfangens der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und des Erzeugens eines Empfangssignals (S0). Darauf folgt typischer Weise die Korrelation des Empfangssignals (S0) mit dem Sendesignal (S5), insbesondere unter Zuhilfenahme eines Synchrondemodulators, und Bildung eines Filterausgangssignals (S4), wobei das Filterausgangssignal (S4) von der Intensität der Korrelation der Modulation der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit dem Sendesignal (S5) abhängt. Es hat sich nun herausgestellt, dass das Abtasten des Filterausgangssignals (S4), insbesondere mittels einer Halteschaltung (S&H), unter Ermittlung einer Folge von Abtastwerten und die Verwendung der Folge der Abtastwerte als Sensorausgangssignal (out) besonders vorteilhaft sind, da dieses Verfahren in der Lage ist, die Spuren des Copper-Signals in Form des Sendesignals (S5) im Spektrum des Sensorausgangssignals (out) fast vollständig zu entfernen.In a method disclosed here for operating a sensor system and / or quantum technological system, the sensor system and / or quantum technological system includes a paramagnetic center ( NV1 ) in the material of a sensor element and / or quantum technological device element that is part of the sensor system and / or quantum technological system. The method then includes, for example, the step of modulated transmission of a modulated pump radiation ( LB ) in particular by a pump radiation source ( PL1 ) for pump radiation ( LB ), whereby the modulation of the transmission by means of a transmission signal ( S5 ) he follows. Another step of the process is the generation of modulated fluorescence radiation ( FL ) by means of a paramagnetic center ( NV1 ) in a material of a sensor element and / or quantum technological device element that is affected by the modulated pump radiation ( LB ) depends. This is followed by the step of receiving the modulated fluorescence radiation ( FL ) and generating a received signal ( S0 ). This is typically followed by the correlation of the received signal ( S0 ) with the transmission signal ( S5 ), especially with the help of a synchronous demodulator, and generation of a filter output signal ( S4 ), where the filter output signal ( S4 ) on the intensity of the correlation of the modulation of the fluorescence radiation ( FL ) with the transmission signal ( S5 ) depends. It has now been found that sampling the filter output signal ( S4 ), in particular by means of a hold circuit ( S&H ), with the determination of a sequence of samples and the use of the sequence of samples as the sensor output signal ( out ) are particularly advantageous, as this method is able to record the traces of the copper signal in the form of the transmitted signal ( S5 ) in the spectrum of the sensor output signal ( out ) to be removed almost completely.
Die Korrelation kann dabei mit dem Schritt der Bildung eines Rückkoppelsignals (S6) in Abhängigkeit von dem Sensorausgangssignal (out) und dem Sendesignal (S5) erfolgen, wobei das Rückkoppelsignal (S6) einen Signalanteil aufweist, der komplementär zu einem Signalanteil des Sendesignals (S5) moduliert ist. Zusätzlich erfolgt dann bevorzugt die Subtraktion des Rückkoppelsignals (S6) vom Empfangssignal (S0) zum reduzierten Empfangssignal (S1), womit dann die Rückkoppelschleife des Reglers später geschlossen wird. Zur Korrelation erfolgt bevorzugt eine Multiplikation des reduzierten Empfangssignals (S1) mit dem Sendesignal (S5) zum Filtereingangssignal (S3) und ein anschließendes Filtern des Filtereingangssignals (S3) mit einem Filter und/oder Integrator (TP) zum Filterausgangssignal (S4), womit dann der Regelkreis geschlossen ist.The correlation can be done with the step of forming a feedback signal ( S6 ) depending on the sensor output signal ( out ) and the transmission signal ( S5 ), whereby the feedback signal ( S6 ) has a signal component that is complementary to a signal component of the transmitted signal ( S5 ) is modulated. In addition, the subtraction of the feedback signal ( S6 ) from the received signal ( S0 ) to the reduced received signal ( S1 ), which then closes the controller's feedback loop later. For correlation, the reduced received signal is preferably multiplied ( S1 ) with the transmission signal ( S5 ) to the filter input signal ( S3 ) and a subsequent filtering of the filter input signal ( S3 ) with a filter and / or integrator ( TP ) to the filter output signal ( S4 ), which then closes the control loop.
Die Bildung eines Rückkoppelsignals (S6) erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit von dem Sensorausgangssignal (out) und dem Sendesignal (S5) durch Multiplikation des Sensorausgangssignals (out) mit dem Sendesignal (S5) zum Rückkoppelsignal (S6) ggf. verbunden mit der Multiplikation eines geeigneten Vorzeichens und ggf. verbunden mit der Hinzufügung eines geeigneten Offsets.The formation of a feedback signal ( S6 ) preferably takes place depending on the sensor output signal ( out ) and the transmission signal ( S5 ) by multiplying the sensor output signal ( out ) with the transmission signal ( S5 ) to the feedback signal ( S6 ) possibly combined with the multiplication of a suitable sign and possibly combined with the addition of a suitable offset.
Die Korrelation erfolgt bevorzugt mit den Schritten der Multiplikation des Empfangssignals (S0) mit dem Sendesignal (S5) zum Filtereingangssignal (S3) und des Filterns und/oder Integrierens des Filtereingangssignals (S3) mit einem Filter und/oder Integrator (TP) zum Filterausgangssignal (S4), wobei das Filterausgangssignal (S4) ggf. mit einem Faktor -1 multipliziert ist. Ist dies der Fall entfällt die Multiplikation mit -1 im zweiten Multiplizierer (M2). Des Weiteren erfolgt ein Abtasten des Filterausgangssignals (S4), insbesondere mittels einer Halteschaltung (S&H), unter Ermittlung einer Folge von Abtastwerten und die Verwendung der Folge der Abtastwerte als Sensorausgangssignal (out). Durch Multiplikation des Sensorausgangssignals (out) mit dem Sendesignal (S5) bildet bevorzugt ein zweiter Multiplizierer (M2) das Rückkoppelsignal (S6). Das Ansteuern einer Kompensationsstrahlungsquelle(PLK) erfolgt bevorzugt mit dem Rückkoppelsignal (S6). Dadurch erfolgt typischerweise ein Aussenden einer Kompensationsstrahlung durch die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) in Abhängigkeit von dem Rückkoppelsignal (S6). Es kommt dann zum Einstrahlen von Kompensationsstrahlung in den Empfänger (PD1). Dort erfolgt dann ein typischerweise überlagerndes, insbesondere summierend überlagerndes, Empfangen der Fluoreszenzstrahlung (FL) und der Kompensationsstrahlung im Empfänger (PD1) und die Bildung des Empfangssignals (S0) in Abhängigkeit von dieser Überlagerung, womit wieder der Regelkreis geschlossen wird.The correlation is preferably carried out with the steps of multiplying the received signal ( S0 ) with the transmission signal ( S5 ) to the filter input signal ( S3 ) and the filtering and / or integration of the filter input signal ( S3 ) with a filter and / or integrator ( TP ) to the filter output signal ( S4 ), where the filter output signal ( S4 ) may be multiplied by a factor of -1. If this is the case, there is no multiplication by -1 in the second multiplier ( M2 ). Furthermore, the filter output signal is sampled ( S4 ), in particular by means of a hold circuit ( S&H ), with the determination of a sequence of samples and the use of the sequence of samples as the sensor output signal ( out ). By multiplying the sensor output signal ( out ) with the transmission signal ( S5 ) preferably forms a second multiplier ( M2 ) the feedback signal ( S6 ). Controlling a compensation radiation source ( PLK ) preferably takes place with the feedback signal ( S6 ). As a result, compensation radiation is typically emitted by the compensation radiation source ( PLK ) depending on the feedback signal ( S6 ). Compensation radiation then radiates into the receiver ( PD1 ). There then takes place a typically superimposed, in particular summarily superimposed, reception of the fluorescence radiation ( FL ) and the compensation radiation in the receiver ( PD1 ) and the formation of the received signal ( S0 ) depending on this superposition, which closes the control loop again.
Bei einem anderen, hier vorgestellten Verfahren (13) zum Betreiben eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems umfasst das Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems ist. Das Verfahren umfasst als Schritt das modulierte Aussenden modulierten Kompensationsstrahlung (KS), wobei diese Modulation mittels eines Kompensationssendesignals (S7) moduliert wird. Dieses Verfahren regelt also nun im Gegensatz zu dem zuvor vorgestellten Verfahren das Kompensationssendesignal und nicht das Sendesignal (S5). Das Sendesignal (S5) wird bei diesem Verfahren also unverändert quasistatisch betrieben. Beide Grundverfahren können aber kombiniert werden, wobei eine Regel festgelegt werden muss, in welcher Weise das Kompensationssendesignal (S7) und/oder das Sendesignal (S5) zu regeln sind. In dem hie nun in diesem Abschnitt besprochenen Beispiel wird das Kompensationssendesignal (S7) geregelt. Daher umfasst das hier in diesem Abschnitt besprochene Verfahren das Erzeugen einer modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) mittels eines paramagnetischen Zentrums (NV1) in einem Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, die von einer modulierten Pumpstrahlung (LB) und ggf. weiteren Parameter, insbesondere der magnetischen Flussdichte B, abhängt. Es erfolgen nun auch hier ein Überlagerndes, insbesondere summierend überlagerndes, Empfangen der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und der Kompensationsstrahlung (KS) und das Erzeugen eines Empfangssignals (S0) in Abhängigkeit von dieser Überlagerung. In analoger Weise wird nun eine Korrelation des Empfangssignals (S0) mit dem Kompensationssendesignal (S7), insbesondere unter Zuhilfenahme eines Synchrondemodulators, zur Bildung eines Filterausgangssignals (S4) durchgeführt. Es folgt nun das Abtasten des Filterausgangssignals (S4), insbesondere mittels einer Halteschaltung (S&H), unter Ermittlung einer Folge von Abtastwerten. Hierdurch werden die Suren des Kompensationssendesignals (S7) im Sensorausgangssignal (out) getilgt oder massiv unterdrückt. Es folgt die Verwendung der so bereinigten Folge der Abtastwerte als Sensorausgangssignal (out). Nun erfolgen das Erzeugen eines mit dem Kompensationssendesignals (S7) modulierten komplexen Rückkoppelsignals (S8) mit Hilfe dieses Sensorausgangssignals (out) und das Bilden des Sendesignals (S5) aus dem Sendevorsignal (S8), insbesondere durch Offsetaddition und/oder Leistungsverstärkung. Sodann erfolgen das Ansteuern einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit dem so gebildeten Sendesignal (S5) und das Aussenden einer Pumpstrahlung (LB) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), insbesondere durch eine LED oder durch einen Laser, in Abhängigkeit von dem Sendesignal (S5).In another method presented here ( 13 ) To operate a sensor system and / or quantum technological system, the sensor system and / or quantum technological system comprises a paramagnetic center ( NV1 ) in the material of a sensor element and / or quantum technological device element that is part of the sensor system and / or quantum technological system. As a step, the method comprises the modulated transmission of modulated compensation radiation (KS), this modulation by means of a compensation transmission signal ( S7 ) is modulated. In contrast to the previously presented method, this procedure now regulates the compensation transmission signal and not the transmission signal ( S5 ). The broadcast signal ( S5 ) is thus operated quasi-statically with this method. Both basic methods can, however, be combined, whereby a rule must be defined in which way the compensation transmission signal ( S7 ) and / or the broadcast signal ( S5 ) are to be regulated. In the example discussed in this section, the compensation transmit signal ( S7 ) regulated. Therefore, the method discussed here in this section involves generating modulated fluorescence radiation ( FL ) by means of a paramagnetic center ( NV1 ) in a material of a sensor element and / or quantum technological device element, which is generated by a modulated pump radiation ( LB ) and possibly other parameters, in particular the magnetic flux density B, depends. Here, too, there is a superimposing, in particular summing superimposing, reception of the modulated fluorescence radiation ( FL ) and the compensation radiation (KS) and the generation of a received signal ( S0 ) depending on this superposition. A correlation of the received signal ( S0 ) with the compensation transmission signal ( S7 ), especially with the help of a synchronous demodulator, to generate a filter output signal ( S4 ) carried out. The filter output signal is now sampled ( S4 ), in particular by means of a hold circuit ( S&H ), with the determination of a sequence of samples. This causes the suras of the compensation transmission signal ( S7 ) in the sensor output signal ( out ) repaid or massively suppressed. This is followed by the use of the sequence of sampled values adjusted in this way as the sensor output signal ( out ). Now the generation of a compensation transmission signal ( S7 ) modulated complex feedback signal ( S8 ) with the help of this sensor output signal ( out ) and the formation of the transmission signal ( S5 ) from the pre-send signal ( S8 ), in particular through offset addition and / or power amplification. A pump radiation source is then controlled ( PL1 ) with the transmit signal formed in this way ( S5 ) and the emission of a pump radiation ( LB ) by the pump radiation source ( PL1 ) for pump radiation ( LB ), in particular by an LED or a laser, depending on the transmitted signal ( S5 ).
Bevorzugt erfolgt dabei die Korrelation erfolgt mit den Schritten der Multiplikation des Empfangssignals (S0) mit dem Kompensationssendesignal (S7) zum Filtereingangssignal (S3) und des Filterns und/oder Integrierens des Filtereingangssignals (S3) mit einem Filter und/oder Integrator (TP) zum Filterausgangssignal (S4), wobei insbesondere das Filterausgangssignal (S4) mit einem Faktor -1 multipliziert sein kann.The correlation is preferably carried out with the steps of multiplying the received signal ( S0 ) with the compensation transmission signal ( S7 ) to the filter input signal ( S3 ) and the filtering and / or integration of the filter input signal ( S3 ) with a filter and / or integrator ( TP ) to the filter output signal ( S4 ), whereby in particular the filter output signal ( S4 ) can be multiplied by a factor of -1.
Bevorzugt erfolgt die Bildung des komplexen Rückkoppelsignals (S8) durch Multiplikation des Filterausgangssignals (S4) mit dem Kompensationssendesignal (S7) zum komplexen Rückkoppelsignal (S8).The complex feedback signal is preferably formed ( S8 ) by multiplying the filter output signal ( S4 ) with the compensation transmission signal ( S7 ) to the complex feedback signal ( S8 ).
In einem weiteren hier vorgestellten Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems umfasst das Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems ist. Das Verfahren umfasst wieder das modulierte Aussenden einer modulierten Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), wobei die Modulation der Aussendung der Pumpstrahlung (LB) mittels eines Sendesignals (S5) erfolgt. Das Verfahren umfasst darüber hinaus das Erzeugen einer modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) mittels eines paramagnetischen Zentrums (NV1) in einem Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, die von der modulierten Pumpstrahlung (LB) abhängt und das Empfangen der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und Erzeugen eines Empfangssignals (S0) sowie das Bestimmen der Intensität der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) in dem Material des Sensorelements in Form eines Filterausgangssignals (S4) zu Zeiten, wenn das modulierte Aussenden der modulierten Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB) nicht stattfindet. Wie zuvor wird ein Abtasten des Filterausgangssignals (S4), insbesondere mittels einer Halteschaltung (S&H), unter Ermittlung einer Folge von Abtastwerten vorgeschlagen, um Spuren des Sendesignals (S5) aus dem Spektrum des Sensorausgangssignals (out) zu entfernen und so die Empfindlichkeit zu steigern. Es folgt dann eine Verwendung der Folge der Abtastwerte als Sensorausgangssignal (out).In a further method presented here for operating a sensor system and / or quantum technological system, the sensor system and / or quantum technological system comprises a paramagnetic center ( NV1 ) in the material of a sensor element and / or quantum technological device element that is part of the sensor system and / or quantum technological system. The method again comprises the modulated transmission of a modulated pump radiation ( LB ) in particular by a pump radiation source ( PL1 ) for pump radiation ( LB ), whereby the modulation of the emission of the pump radiation ( LB ) by means of a transmission signal ( S5 ) he follows. The method also includes the generation of modulated fluorescence radiation ( FL ) by means of a paramagnetic center ( NV1 ) in a material of a sensor element and / or quantum technological device element that is affected by the modulated pump radiation ( LB ) and the reception of the modulated fluorescence radiation ( FL ) and generating a received signal ( S0 ) as well as determining the intensity of the modulated fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic center ( NV1 ) in the material of the sensor element in the form of a filter output signal ( S4 ) at times when the modulated emission of the modulated pump radiation ( LB ) in particular by the pump radiation source ( PL1 ) for pump radiation ( LB ) not taking place. As before, a sampling of the filter output signal ( S4 ), in particular by means of a hold circuit ( S&H ), proposed to determine a sequence of samples in order to detect traces of the transmitted signal ( S5 ) from the spectrum of the sensor output signal ( out ) to increase the sensitivity. The sequence of the sampled values is then used as the sensor output signal ( out ).
Schließlich wird ein Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System vorgeschlagen, wobei das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologisches System ist, umfasst und wobei das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), insbesondere eine LED oder einen Laser, umfasst. Die Pumpstrahlung (LB) veranlasst zu ersten Zeiten das paramagnetische Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL). Das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System umfasst dabei dann Mittel (PD1, A1, M1, TP, M2, A2, G, M1', TP', M2'), die zu zweiten Zeiten, die von den ersten Zeiten verschieden sind, die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) in Form eines zusätzlichen Filterausgangssignals (S4') erfassen und das zusätzliche Filterausgangssignal (S4') in Form einer zusätzlichen Folge von zusätzlichen Abtastwerten abtasten und diese zusätzliche Folge zusätzlicher Abtastwerte als ein zusätzliches Sensorausgangssignal (out') ausgibt, das von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum (NV1) zu diesen zweiten Zeiten abhängt. Hierdurch kann die Fluoreszenz zu Zeiten gemessen werden, zu denen die Pumpstrahlungsquelle (PL1) bereits abgeschaltet ist. Das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System umfasst zur Bildung dieser Abtastwerte weitere Mittel (S&H'), um im Signalpfad zwischen dem Empfangssignal (S0) und dem zusätzlichen Sensorausgangssignal (out') das jeweilige Signal an der Stelle der Einfügung dieser weiteren Mittel (S&H') abzutasten.Finally, a sensor system and / or quantum technological system is proposed, the sensor system and / or quantum technological system having a paramagnetic center ( NV1 ) in the material of a sensor element and / or quantum technological device element that is part of the sensor system and / or quantum technological system, and wherein the sensor system and / or quantum technological system is a pump radiation source ( PL1 ) for pump radiation ( LB ), in particular an LED or a laser. The pump radiation ( LB ) initially causes the paramagnetic center ( NV1 ) to emit fluorescence radiation ( FL ). The sensor system and / or quantum technological system then includes means ( PD1 , A1 , M1 , TP , M2 , A2 , G , M1 ' , TP ' , M2 ' ), which at second times, which are different from the first times, the fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic center ( NV1 ) in the form of an additional filter output signal ( S4 ' ) and the additional filter output signal ( S4 ' ) sample in the form of an additional sequence of additional sample values and this additional sequence of additional sample values as an additional sensor output signal ( out' ) that emits from the fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic center ( NV1 ) depends on these second times. This allows the fluorescence to be measured at times when the pump radiation source ( PL1 ) is already switched off. The sensor system and / or quantum technology system includes further means for generating these sampled values ( S&H ' ) to switch between the received signal ( S0 ) and the additional sensor output signal ( out' ) the respective signal at the point of insertion of these further means ( S&H ' ) to be scanned.
Vorteiladvantage
Ein solches Gehäuse und der darauf aufgebaute Sensor ermöglicht zumindest in einigen Realisierungen den kompakten Aufbau und die Kombination konventioneller Schaltungstechnik mit Quantensensorik. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.Such a housing and the sensor built on it enable, at least in some implementations, the compact design and the combination of conventional circuit technology with quantum sensors. The advantages are not limited to this.
FigurenlisteFigure list
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines vorgeschlagenen Systems. 1 shows the basic structure of a proposed system.
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2 zeigt ein einfaches System für eine beispielhafte Teilfunktion der integrierten Schaltung (IC). 2 shows a simple system for an exemplary sub-function of the integrated circuit ( IC ).
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3 zeigt das System der 2 mit einer optischen Kompensation. 3 shows the system of 2 with an optical compensation.
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4 zeigt das System der 2 mit einer optischen Kompensation über den Sender. 4th shows the system of 2 with optical compensation via the transmitter.
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5 zeigt das System der 2 mit einer elektrischen Kompensation und einer Messung des Nachleuchtens der Fluoreszenzstrahlung (FL), was einen Verzicht auf den ersten Filter (F1) ermöglicht. 5 shows the system of 2 with an electrical compensation and a measurement of the afterglow of the fluorescence radiation ( FL ), which means doing without the first filter ( F1 ) allows.
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6 zeigt das System der 5 ohne ersten Filter (F1). 6 shows the system of 5 without first filter ( F1 ).
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7 zeigt schematisch vereinfacht das Fluoreszenzverhalten in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B bei Dekalibrierung der Ausrichtung. 7th shows a schematically simplified fluorescence behavior as a function of the magnetic flux density B when the alignment is decalibrated.
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8 Zeigt den sich ergebenden Verlauf der 7 bei Dekalibrierung der Ausrichtung des Kristalls am Beispiel der Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) in Abhängigkeit vom Betrag der Stärke der magnetischen Flussdichte B 8a und dessen Differentiation als Empfindlichkeitskurve in 8b mit dem Punkt maximaler Empfindlichkeit bei ca. 5-10mT. 8th Shows the resulting course of the 7th when decalibrating the alignment of the crystal using the example of the intensity of the fluorescence radiation ( FL ) as a function of the magnitude of the strength of the magnetic flux density B 8a and its differentiation as a sensitivity curve in 8b with the point of maximum sensitivity at approx. 5-10mT.
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9 Zeigt die Einstellung des optimalen Arbeitspunktes mittels einer mittels eines Reglers (RG) langsam nachgeregelten Arbeitspunktregelsignals (S9) zur Bestromung einer Kompensationsspule (LC), die die magnetische Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) nachregelt. 9 Shows the setting of the optimal operating point by means of an operating point control signal (S9), which is slowly readjusted by means of a controller (RG), for energizing a compensation coil (LC), which sets the magnetic flux density B at the location of the paramagnetic center ( NV1 ) readjusts.
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10 zeigt das beansprucht Grundsystem mit einer Halteschaltung (S&H). 10 shows the claimed basic system with a hold circuit ( S&H ).
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11 zeigt das System der 2 ergänzt um die Halteschaltung (S&H). 11 shows the system of 2 supplemented by the hold circuit ( S&H ).
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12 zeigt das System der 3 ergänzt um die Halteschaltung (S&H). 12th shows the system of 3 supplemented by the hold circuit ( S&H ).
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13 zeigt das System der 4 ergänzt um die Halteschaltung (S&H). 13 shows the system of 4th supplemented by the hold circuit ( S&H ).
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14 zeigt das System der 5 ergänzt um die Halteschaltung (S&H). 14th shows the system of 5 supplemented by the hold circuit ( S&H ).
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15 zeigt das System der 6 ergänzt um die Halteschaltung (S&H). 15th shows the system of 6 supplemented by the hold circuit ( S&H ).
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16 zeigt das System der 7 ergänzt um die Halteschaltung (S&H). 16 shows the system of 7th supplemented by the hold circuit ( S&H ).
Beschreibung der FigurenDescription of the figures
Figur 1Figure 1
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines vorgeschlagenen Systems. Es umfasst eine integrierte Schaltung (IC), die einen Empfänger (PD) umfasst. Oberhalb des Empfängers ist ein erster Filter (F1), der bevorzugt ein optischer Filter ist, angeordnet. Dieser erste Filter (F1) ist bevorzugt auf die Oberfläche der integrierten mikroelektronischen Schaltung (IC) aufgeklebt. Die Klebung ist dabei bevorzugt transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) eines paramagnetischen Zentrums (NV1) im Material eines Sensorelements, das auf der dem Empfänger (PD1) abgewandten Seite des ersten Filters (F1) montiert ist. Die integrierte mikroelektronische Schaltung (IC) ist bevorzugt ein vereinzelter Kristall. Bevorzugt ist die integrierte mikroelektronische Schaltung (IC) eine CMOS-Schaltung, eine bipolare Schaltung oder eine BiCMOS-Schaltung. Das Material der mikroelektronischen Schaltung (IC) ist bevorzugt Silizium. Wird ein III/V Material als Trägermaterial der integrierten mikroelektronischen Schaltung (IC) verwendet, so ist ein Co-Integration einer LED oder eines Lasers als Pumpstrahlungsquelle (PL1) mit der mikroelektronischen Schaltung (IC) und mit dem Empfänger (PD) denkbar. Statt der vertikalen Anordnung ist dann eine laterale Anordnung sinnvoll. In dem Fall der 1 gehen wir zur Vereinfachung davon aus, dass die Pumpstrahlungsquelle (PL1) nicht Co-integriert ist, sondern separat. In dem Beispiel der 1 ist ein Sensorelement mittels eines Befestigungsmittels (Ge) mit dem ersten Filter (F1) mechanisch verbunden. Bevorzugt handelt es sich um verfestigte Gelatine. Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), genauer die LED oder der Laser, bestrahlt die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements mit Pumpstrahlung (LB). Diese regt die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zur Emission einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Das Material des Befestigungsmittels (Ge) ist bevorzugt transparent für die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) und transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Der erste Filter (F1) ist bevorzugt nicht transparent für die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1). Letztlich bildet der Empfänger (PD1) zusammen mit dem ersten Filter (F1) einen Empfänger, der im Wesentlichen nur für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements empfindlich ist und im Wesentlichen nicht für die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) empfindlich ist. Die integrierte Schaltung (IC) erzeugt nun bevorzugt eine Modulation der Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) der Pumpstrahlung (LB), also die LED oder der Laser. Diese modulierte Pumpstrahlung (LB) trifft die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. In Abhängigkeit vom magnetischen Fluss am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements emittieren diese dann eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) deren Modulation von der Modulation der eintreffenden Pumpstrahlung (LB) abhängt. 1 shows the basic structure of a proposed system. It includes an integrated circuit ( IC ), which includes a receiver (PD). Above the receiver is a first filter ( F1 ), which is preferably an optical filter, arranged. This first filter ( F1 ) is preferred to the surface of the integrated microelectronic circuit ( IC ) glued. The bond is preferably transparent to the fluorescence radiation ( FL ) a paramagnetic center ( NV1 ) in the material of a sensor element that is placed on the receiver ( PD1 ) facing away from the first filter ( F1 ) is mounted. The integrated microelectronic circuit ( IC ) is preferably a single crystal. The integrated microelectronic circuit is preferred ( IC ) a CMOS circuit, a bipolar circuit or a BiCMOS circuit. The material of the microelectronic circuit ( IC ) is preferably silicon. If a III / V material is used as the carrier material for the integrated microelectronic circuit ( IC ) is used, a co-integration of an LED or a laser as a pump radiation source ( PL1 ) with the microelectronic circuit ( IC ) and with the receiver (PD) conceivable. Instead of a vertical arrangement, a lateral arrangement makes sense. In the case of the 1 for the sake of simplicity we assume that the pump radiation source ( PL1 ) is not co-integrated, but separately. In the example of the 1 is a sensor element by means of a fastener ( Ge ) with the first filter ( F1 ) mechanically connected. It is preferably solidified gelatin. The pump radiation source ( PL1 ) for pump radiation ( LB ), more precisely the LED or the laser, irradiates the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element with pump radiation ( LB ). This excites the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element to emit fluorescent radiation ( FL ) at. The material of the fastener ( Ge ) is preferably transparent for the pump radiation ( LB ) the pump radiation source ( PL1 ) and transparent for the fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element. The first filter ( F1 ) is preferably transparent for fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element. The first filter ( F1 ) is preferably not transparent for the pump radiation ( LB ) the pump radiation source ( PL1 ). Ultimately, the recipient forms ( PD1 ) together with the first filter ( F1 ) a receiver that is essentially only for the fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic centers ( NV1 ) is sensitive in the material of the sensor element and essentially not for the pump radiation ( LB ) the pump radiation source ( PL1 ) is sensitive. The integrated circuit ( IC ) now preferably generates a modulation of the pump radiation ( LB ) the pump radiation source ( PL1 ) the pump radiation ( LB ), i.e. the LED or the laser. This modulated pump radiation ( LB ) meets the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element. Depending on the magnetic flux at the location of the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element they then emit a modulated fluorescence radiation ( FL ) whose modulation depends on the modulation of the incoming pump radiation ( LB ) depends.
Diese Modulation der Pumpstrahlung (LB) hat somit eine damit korrelierte Modulation der Fluoreszenzstrahlung (FL) zur Folge. Daher wird das Empfangssignal (S0) des Empfängers (PD1) der integrierten Schaltung (IC), der von der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) getroffen wird, ebenfalls moduliert. Da die Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) vom magnetischen Fluss am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements abhängt, hängt die Modulation des Empfangssignals (S0) ebenfalls vom magnetischen Fluss am Ort der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements ab.This modulation of the pump radiation ( LB ) thus has a correlated modulation of the fluorescence radiation ( FL ) result. Therefore, the received signal ( S0 ) Recipient ( PD1 ) the integrated circuit ( IC ) caused by the modulated fluorescence radiation ( FL ) is hit, also modulated. Since the intensity of the fluorescence radiation ( FL ) from the magnetic flux at the location of the paramagnetic centers ( NV1 ) depends on the material of the sensor element, the modulation of the received signal depends on ( S0 ) also from the magnetic flux at the location of the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element.
Die integrierte Schaltung kann nun die Modulation des Empfangssignals (S0) auswerten und davon abhängig Aktoren betätigen oder deren Tätigkeit verändern. Beispielsweise kann die integrierte Schaltung eine erste Spule (L1) anders bestromen und so eine Änderung des Magnetfeldes, das die integrierte Schaltung aufgrund einer Modulationsänderung des Empfangssignals (S0) erfasst hat, kompensieren. Bevorzugt ist die besagte erste Spule (L1) Teil der integrierten Schaltung. Sie kann dann beispielsweise als ein- oder mehrlagige Spule gefertigt werden. Die erste Spule (L1) kann aber auch getrennt gefertigt werden.The integrated circuit can now modulate the received signal ( S0 ) and, depending on this, activate actuators or change their activity. For example, the integrated circuit can have a first coil ( L1 ) energized differently and thus a change in the magnetic field that the integrated circuit due to a modulation change in the received signal ( S0 ) compensate. Preferably said first coil ( L1 ) Part of the integrated circuit. It can then be manufactured, for example, as a single or multi-layer coil. The first coil ( L1 ) can also be manufactured separately.
Figur 2Figure 2
2 zeigt ein einfaches System für eine beispielhafte Teilfunktion der integrierten Schaltung (IC). Ein Signalgenerator (G) erzeigt ein Sendesignal (S5). Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) wandelt das Sendesignal in eine modulierte Pumpstrahlung (LB), die direkt oder wie zuvor beschrieben indirekt auf das Sensorelement trifft. Dort regt diese reflektierte Pumpstrahlung (LB) die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zu Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Das erste Filter (F1) lässt die Fluoreszenzstrahlung (FL) passieren, während es die modulierte Pumpstrahlung (LB) nicht passieren lässt. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) ist korreliert zur Pumpstrahlung (LB) moduliert. Die modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) wir nach dem Passieren des ersten Filters (F1) vom Empfänger (PD1) empfangen und in ein moduliertes Empfangssignal (S0) umgewandelt. Ggf. umfasst der Empfänger (PD1) weitere Verstärker und Filter. Ein erster Addierer (A1) subtrahiert ein Rückkoppelsignal (S6) von dem Empfangssignal (S0). Es ergibt sich das reduzierte Empfangssignal (S1). Dieses reduzierte Empfangssignal (S1) wird in einem Synchrondemodulator weiterverarbeitet. Dazu multipliziert ein erster Multiplizierer (M1) das reduzierte Empfangssignal (S1) mit dem Sendesignal (S5) und bildet so das Filtereingangssignal (S3). In einem Filter und/oder Integrator (TP) wird der Gleichanteil des Filtereingangssignals durchgelassen. Es ergibt sich das Filterausgangssignal (S4) als Ausgangssignal des Filters und/oder Integrators (TP). Formal bildet der erste Multiplizierer (M1) und der Filter und/oder Integrator (TP) ein Skalarprodukt des reduzierten Empfangssignals (S1) und des Sendesignals (S5). Der Wert des Filterausgangssignals (S4) gibt dann an, wieviel vom Sendesignal (S5) anteilig im reduzierten Empfangssignal (S1) vorhanden ist. Dieses Filterausgangssignal (S4) kann man mit einem Fourier-Koeffizienten in seiner Funktion vergleichen. 2 shows a simple system for an exemplary sub-function of the integrated circuit ( IC ). A signal generator ( G ) shows a transmission signal ( S5 ). The pump radiation source ( PL1 ) converts the transmitted signal into a modulated pump radiation ( LB ) directly or indirectly as described above hits the sensor element. There this reflected pump radiation excites ( LB ) the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element to emit fluorescence radiation ( FL ) at. The first filter ( F1 ) lets the fluorescence radiation ( FL ) happen while the modulated pump radiation ( LB ) does not let happen. The fluorescence radiation ( FL ) is correlated to the pump radiation ( LB ) modulated. The modulated fluorescence radiation ( FL ) we after passing the first filter ( F1 ) from the recipient ( PD1 ) received and converted into a modulated received signal ( S0 ) converted. The recipient may include ( PD1 ) further amplifiers and filters. A first adder ( A1 ) subtracts a feedback signal ( S6 ) from the received signal ( S0 ). The result is the reduced received signal ( S1 ). This reduced received signal ( S1 ) is further processed in a synchronous demodulator. To do this, a first multiplier multiplies ( M1 ) the reduced received signal ( S1 ) with the transmission signal ( S5 ) and thus forms the filter input signal ( S3 ). In a filter and / or integrator ( TP ) the DC component of the filter input signal is allowed through. The result is the filter output signal ( S4 ) as the output signal of the filter and / or integrator ( TP ). Formally, the first multiplier forms ( M1 ) and the filter and / or integrator ( TP ) a scalar product of the reduced received signal ( S1 ) and the transmission signal ( S5 ). The value of the filter output signal ( S4 ) then indicates how much of the transmission signal ( S5 ) proportionally in the reduced received signal ( S1 ) is available. This filter output signal ( S4 ) can be compared with a Fourier coefficient in its function.
Ein zweiter Multiplizierer (M2) multipliziert das Filterausgangssignal (S4) mit dem Sendesignal (S5) und bildet so das Rückkoppelsignal (S6). Ist die Verstärkung des Filters und/oder Integrators (TP) sehr groß, so enthält das reduzierte Empfangssignal (S1) typischerweise bis auf einen Regelfehler bei Stabilität keinen Anteil des Sendesignals mehr. Der Wert des Filterausgangssignals (S4) ist dann ein Maß für die Amplitude der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Empfänger (PD1) erreicht. Dieses Empfängerausgangssignal (S4) wird dann als Sensorausgangssignal (out) über eine der Lead-Frame-Flächen mittels eines Bond-Drahtes ausgegeben.A second multiplier ( M2 ) multiplies the filter output signal ( S4 ) with the transmission signal ( S5 ) and thus forms the feedback signal ( S6 ). Is the gain of the filter and / or integrator ( TP ) very large, the reduced received signal contains ( S1 ) typically no more part of the transmission signal apart from a control error in the case of stability. The value of the filter output signal ( S4 ) is then a measure of the amplitude of the fluorescence radiation ( FL ) that the recipient ( PD1 ) reached. This receiver output signal ( S4 ) is then used as the sensor output signal ( out ) is output via one of the lead frame surfaces using a bond wire.
Figur 3Figure 3
3 zeigt das System der 2 mit dem Unterschied, dass die Rückspeisung des Rückkoppelsignals (S6) nun nicht über einen ersten Addierer (A1) elektrisch erfolgt, sondern über eine Kompensationsstrahlungsquelle (PLK). Hierzu wird er Pegel und der Offset des Rückkopplungssignals (S6) durch eine Anpassschaltung (OF) geeignet angepasst. Es ergibt sich ein Kompensationssendesignal (S7) als Ausgangssignal der Anpassschaltung (OF). Mit diesem Kompensationssendesignal (S7) wird die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) betrieben. Die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) strahlt dann in den Empfänger (PD1) ein. Um die Subtraktion zu reproduzieren, wird nun vorgesehen, dass der Ausgang des Filters und/oder Integrators (TP) invertierend ausgeführt wird. Es kommt also nicht darauf an, an welcher Stelle diese Inversion im Regelkries ausgeführt wird, sondern nur, dass sie stattfindet. Bevorzugt ist die Vorrichtung mit einer ersten Barriere (BA1) versehen, die verhindert, dass die Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements bestrahlen und damit zur Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) anregen kann. Es handelt sich also um eine Barriere für elektromagnetische Strahlung und/oder Licht. 3 shows the system of 2 with the difference that the feedback of the feedback signal ( S6 ) now does not have a first adder ( A1 ) takes place electrically, but via a compensation radiation source ( PLK ). For this purpose, the level and the offset of the feedback signal ( S6 ) through a matching circuit ( OF ) appropriately adapted. A compensation transmission signal results ( S7 ) as the output signal of the adapter circuit ( OF ). With this compensation transmission signal ( S7 ) the compensation radiation source ( PLK ) operated. The compensation radiation source ( PLK ) then radiates into the receiver ( PD1 ) on. In order to reproduce the subtraction, it is now provided that the output of the filter and / or integrator ( TP ) is executed inverting. So it does not matter at which point this inversion is carried out in the control cycle, but only that it takes place. The device with a first barrier ( BA1 ), which prevents the compensation radiation source ( PLK ) the paramagnetic centers ( NV1 ) irradiate in the material of the sensor element and thus emit fluorescence radiation ( FL ) can stimulate. So it is a barrier for electromagnetic radiation and / or light.
Bevorzugt ist die Vorrichtung mit einer zweiten Barriere (BA2) versehen, die verhindert, dass die Pumpstrahlungsquelle (PL1) den Empfänger (PD1) direkt bestrahlen kann. Es handelt sich also auch hier um eine Barriere für elektromagnetische Strahlung und/oder Licht. Aus regelungstechnischen Gründen kann eine gewisse direkte Bestrahlung in sehr geringem Umfang aber ggf. gewünscht sein, um den Fangbereich der Regelung zu verbessern.The device with a second barrier ( BA2 ), which prevents the pump radiation source ( PL1 ) the recipient ( PD1 ) can irradiate directly. This is also a barrier for electromagnetic radiation and / or light. For control reasons, a certain amount of direct irradiation may be required to a very limited extent, in order to improve the control's capture range.
Figur 4Figure 4
4 dient zum Verdeutlichen des Verfahrens bei optischer Kompensation über eine geregelte Kompensationsstrahlungsquelle (PLK). Das Sensorsystem umfasst wieder ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements, das Teil des Sensorsystems ist. Das Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems läuft dann so ab, dass mittels eines Kompensationssendesignals (S7) ein moduliertes Aussenden einer modulierten Kompensationsstrahlung (KS) durch die moduliert betriebene Kompensationsstrahlungsquelle (PLK) erfolgt. Eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) wird mittels eines paramagnetischen Zentrums (NV1) in einem Material eines Sensorelements durch modulierte Pumpstrahlung (LB) verursacht. deren Ursprung der Pumpstrahlung (LB) wird später beschrieben. Im Empfänger (PD1) erfolgt ein überlagerndes Empfangen der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und der modulierten Kompensationsstrahlung (KS) und das Erzeugen eines Empfangssignals (S0). Ist die im Folgenden beschriebene Regelung bei Abwesenheit von Störern eingeschwungen, so enthält das Empfangssignal (S0) bevorzugt keine Modulation mehr. Es wird sodann eine Korrelation des Empfangssignals (S0) mit dem modulierten Kompensationssendesignal (S7), insbesondere unter Zuhilfenahme eines Synchrondemodulators, und Bildung eines Sensorausgangssignals (out) durchgeführt, um den modulierten Anteil im Empfangssignal (S0) zu detektieren und dann mittels des Sendesignals (S5) zu kompensieren. Das vorgeschlagene Alternativverfahren umfasst das Erzeugen eines mit dem Kompensationssendesignal (S7) modulierten Sendesignals (S5) mit Hilfe des Sensorausgangssignals (out). Dabei hängt das Sensorausgangssignal (out) von der Intensität der Korrelation der Modulation der Fluoreszenzstrahlung (FL) mit dem Kompensationssendesignal (S7) ab. 4th serves to clarify the procedure for optical compensation via a regulated compensation radiation source ( PLK ). The sensor system again includes a paramagnetic center ( NV1 ) in the material of a sensor element that is part of the sensor system. The process for operating a sensor system then runs in such a way that a compensation transmission signal ( S7 ) a modulated emission of a modulated compensation radiation (KS) by the modulated operated compensation radiation source ( PLK ) he follows. A modulated fluorescence radiation ( FL ) is determined by means of a paramagnetic center ( NV1 ) in a material of a sensor element by modulated pump radiation ( LB ) caused. whose origin of the pump radiation ( LB ) will be described later. In the receiver ( PD1 ) there is an overlapping reception of the modulated fluorescence radiation ( FL ) and the modulated compensation radiation (KS) and the generation of a received signal ( S0 ). If the control described below has settled in the absence of interferers, the received signal contains ( S0 ) no longer prefers modulation. A correlation of the received signal ( S0 ) with the modulated compensation transmission signal ( S7 ), especially with the help of a synchronous demodulator, and generation of a sensor output signal ( out ) is carried out to determine the modulated component in the received signal ( S0 ) and then using the transmission signal ( S5 ) to compensate. The suggested alternative method includes the generation of a compensation transmission signal ( S7 ) modulated transmission signal ( S5 ) using the sensor output signal ( out ). The sensor output signal ( out ) on the intensity of the correlation of the modulation of the fluorescence radiation ( FL ) with the compensation transmission signal ( S7 ) from.
Die Korrelation erfolgt bevorzugt mit den Schritten
- • Multiplikation des Empfangssignals (S0) mit dem Kompensationssendesignal (S7) zum Filtereingangssignal (S3);
- • Filtern des Filtereingangssignals (S3) mit einem Filter und/oder Integrator (TP) zum Filterausgangssignal (S4), wobei das Filterausgangssignal (S4) mit einem Faktor -1 multipliziert ist;
- • Multiplikation des Filterausgangssignals (S4) mit dem Kompensationssendesignal (S7) zum komplexen Rückkoppelsignal (S8);
- • Bilden des Sendesignals (S5) aus dem komplexen Rückkoppelsignal (S8);
- • Ansteuern einer Pumpstrahlungsquelle (PL1) als Sender mit dem Sendesignal (S5);
- • Aussenden einer Pumpstrahlung (LB) durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) in Abhängigkeit von dem Sendesignal (S5);
- • Verwendung des Filterausgangssignals (S4) zur Bildung des Sensorausgangssignals (out), wobei das Sensorausgangssignal (out)im Sinne dieses Merkmals gleich dem Filterausgangssignal (S4) sein kann.
The correlation is preferably carried out with the steps - • Multiplication of the received signal ( S0 ) with the compensation transmission signal ( S7 ) to the filter input signal ( S3 );
- • Filtering the filter input signal ( S3 ) with a filter and / or integrator ( TP ) to the filter output signal ( S4 ), where the filter output signal ( S4 ) is multiplied by a factor of -1;
- • Multiplication of the filter output signal ( S4 ) with the compensation transmission signal ( S7 ) to the complex feedback signal ( S8 );
- • Formation of the transmission signal ( S5 ) from the complex feedback signal ( S8 );
- • Control of a pump radiation source ( PL1 ) as a transmitter with the transmission signal ( S5 );
- • Sending a pump radiation ( LB ) by the pump radiation source ( PL1 ) depending on the transmission signal ( S5 );
- • Use of the filter output signal ( S4 ) to generate the sensor output signal ( out ), where the sensor output signal ( out ) for the purposes of this feature is equal to the filter output signal ( S4 ) can be.
Figur 5Figure 5
5 entspricht einem erweiterten System der 2. 3 und 4 lassen sich in analoger Weise erweitern. Auch 5 zeigt ein einfaches System für eine beispielhafte Teilfunktion der integrierten Schaltung (IC). Ein Signalgenerator (G) erzeigt ein Sendesignal (S5) und ein bezüglich des Skalarprodukts, das durch den ersten Multiplizierer (M1) und den Filter und/oder Integrator (TP) hier beispielhaft realisiert wird, zu dem Sendesignal (S5) orthogonales Referenzsignal (S5'). Zur Vereinfachung nehmen wir an, dass das Sendesignal (S5) und das orthogonale Referenzsignal (S5') periodisch sind. Bevorzugt ist dann der Filter und/oder Integrator (TP) mit einem Ausgangsspeicher versehen, der zu jedem Periodenende der Periode des Sendesignals (S5) den erreichten Filterausgangswert unmittelbar vor seinem Ausgang abtastet und bis zum nächsten Periodenende ausgibt. Dieses Latch oder diese Sample&Hold-Schaltung ist in den 15, 16, 20 und 21 zur Vereinfachung nicht eingezeichnet, aber sehr sinnvoll, um die zeitlichen Integrationsgrenzen des Skalarprodukts exakt zu definieren. Dies gilt auch für das zusätzliche Filter und/oder Integrator (TP') und den zusätzlichen ersten Multiplizierer (M1'). Hier wird zur Vereinfachung angenommen, dass der zusätzliche erste Multiplizierer (M1') die gleichen Eigenschaften hat wie der erste Multiplizierer (M1). Des Weiteren wird angenommen, dass der zusätzliche Filter und/oder Integrator (TP') die gleichen Eigenschaften hat, wie der Filter und/oder Integrator (TP). Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) wandelt das Sendesignal (S5) wieder in eine modulierte Pumpstrahlung (LB), die direkt oder wie zuvor beschrieben indirekt auf das Sensorelement trifft. Dort regt diese reflektierte Pumpstrahlung (LB) die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zu Abgabe einer Fluoreszenzstrahlung (FL) an. Das erste Filter (F1) lässt die Fluoreszenzstrahlung (FL) aufgrund ihrer Fluoreszenzwellenlänge passieren, während es die modulierte Pumpstrahlung (LB) nicht passieren lässt. Die Fluoreszenzstrahlung (FL) ist korreliert, aber typischerweise definiert phasenverschoben zur Pumpstrahlung (LB) moduliert. Dies kann nun ausgenutzt werden. Die modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) wird nach dem Passieren des ersten Filters (F1) vom Empfänger (PD1) empfangen und in ein moduliertes Empfangssignal (S0) umgewandelt. Ggf. umfasst der Empfänger (PD1) weitere Verstärker und Filter. Ein erster Addierer (A1) subtrahiert ein komplexes Rückkoppelsignal (S8) von dem Empfangssignal (S0). Es ergibt sich das reduzierte Empfangssignal (S1). Dieses reduzierte Empfangssignal (S1) wird in nunmehr zwei Synchrondemodulatoren weiterverarbeitet. 5 corresponds to an extended system of 2 . 3 and 4th can be expanded in an analogous way. Also 5 shows a simple system for an exemplary sub-function of the integrated circuit ( IC ). A signal generator ( G ) shows a transmission signal ( S5 ) and one related to the scalar product that is given by the first multiplier ( M1 ) and the filter and / or integrator ( TP ) is implemented here as an example, to the transmission signal ( S5 ) orthogonal reference signal ( S5 ' ). For the sake of simplicity we assume that the transmit signal ( S5 ) and the orthogonal reference signal ( S5 ' ) are periodic. The filter and / or integrator is then preferred ( TP ) provided with an output memory, which at the end of each period of the period of the transmission signal ( S5 ) samples the reached filter output value immediately before its output and outputs it until the end of the next period. This latch or this sample & hold circuit is in the 15th , 16 , 20th and 21st not shown for the sake of simplicity, but very useful in order to precisely define the temporal integration limits of the scalar product. This also applies to the additional filter and / or integrator ( TP ' ) and the additional first multiplier ( M1 ' ). For the sake of simplicity, it is assumed here that the additional first multiplier ( M1 ' ) has the same properties as the first multiplier ( M1 ). Furthermore, it is assumed that the additional filter and / or integrator (TP ') has the same properties as the filter and / or integrator ( TP ). The pump radiation source ( PL1 ) converts the transmission signal ( S5 ) back into a modulated pump radiation ( LB ), which hits the sensor element directly or indirectly as described above. There this reflected pump radiation excites ( LB ) the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element to emit fluorescence radiation ( FL ) at. The first filter ( F1 ) lets the fluorescence radiation ( FL ) due to their fluorescence wavelength, while the modulated pump radiation ( LB ) does not let happen. The fluorescence radiation ( FL ) is correlated, but typically defined out of phase with the pump radiation ( LB ) modulated. This can now be exploited. The modulated fluorescence radiation ( FL ) after passing through the first filter ( F1 ) from the recipient ( PD1 ) received and converted into a modulated received signal ( S0 ) converted. The recipient may include ( PD1 ) further amplifiers and filters. A first adder ( A1 ) subtracts a complex feedback signal ( S8 ) from the received signal ( S0 ). The result is the reduced received signal ( S1 ). This reduced received signal ( S1 ) is now processed further in two synchronous demodulators.
Erster SynchrondemodulatorFirst synchronous demodulator
Ein erster Multiplizierer (M1) multipliziert das reduzierte Empfangssignal (S1) mit dem Sendesignal (S5) und bildet so das Filtereingangssignal (S3). In dem Filter und/oder Integrator (TP) wird der Gleichanteil des Filtereingangssignals durchgelassen. Es ergibt sich das Filterausgangssignal (S4) als Ausgangssignal des Filters und/oder Integrators (TP). Formal bildet der erste Multiplizierer (M1) und der Filter und/oder Integrator (TP) ein Skalarprodukt des reduzierten Empfangssignals (S1) und des Sendesignals (S5). Der Wert des Filterausgangssignals (S4) gibt dann an, wieviel vom Sendesignal (S5) anteilig im reduzierten Empfangssignal (S1) vorhanden ist. Dieses Filterausgangssignal (S4) kann man mit einem Fourier-Koeffizienten in seiner Funktion vergleichen. Ein zweiter Multiplizierer (M2) multipliziert das Filterausgangssignal (S4) mit dem Sendesignal (S5) und bildet so das Rückkoppelsignal (S6). Ist die Verstärkung des Filters und/oder Integrators (TP) sehr groß, so enthält das reduzierte Empfangssignal (S1) typischerweise bis auf einen Regelfehler bei Stabilität keinen Anteil des Sendesignals (S5) mehr. Der Wert des Filterausgangssignals (S4) ist dann ein Maß für die Amplitude der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Empfänger (PD1) erreicht. Dieses Empfängerausgangssignal (S4) wird dann als Sensorausgangssignal (out) über eine der Lead-Frame-Flächen mittels eines Bond-Drahtes ausgegeben.A first multiplier ( M1 ) multiplies the reduced received signal ( S1 ) with the transmission signal ( S5 ) and thus forms the filter input signal ( S3 ). In the filter and / or integrator ( TP ) the DC component of the filter input signal is allowed through. The result is the filter output signal ( S4 ) as the output signal of the filter and / or integrator ( TP ). Formally, the first multiplier forms ( M1 ) and the filter and / or integrator ( TP ) a scalar product of the reduced received signal ( S1 ) and the transmission signal ( S5 ). The value of the filter output signal ( S4 ) then indicates how much of the transmission signal ( S5 ) proportionally in the reduced received signal ( S1 ) is available. This filter output signal ( S4 ) can be compared with a Fourier coefficient in its function. A second multiplier ( M2 ) multiplies the filter output signal ( S4 ) with the transmission signal ( S5 ) and thus forms the feedback signal ( S6 ). Is the gain of the filter and / or integrator ( TP ) very large, the reduced received signal contains ( S1 ) typically no part of the transmit signal apart from a control error in stability ( S5 ) more. The value of the filter output signal ( S4 ) is then a measure of the amplitude of the fluorescence radiation ( FL ) that the recipient ( PD1 ) reached. This Receiver output signal ( S4 ) is then used as the sensor output signal ( out ) is output via one of the lead frame surfaces using a bond wire.
Zweiter SynchrondemodulatorSecond synchronous demodulator
Ein zusätzlicher erster Multiplizierer (M1') multipliziert das reduzierte Empfangssignal (S1) mit dem orthogonalen Referenzsignal (S5') und bildet so das zusätzliche Filtereingangssignal (S3'). In dem zusätzlichen Filter und/oder Integrator (TP') wird der Gleichanteil des zusätzlichen Filtereingangssignals (S3') durchgelassen. Es ergibt sich das zusätzliche Filterausgangssignal (S4') als Ausgangssignal des zusätzlichen Filters und/oder Integrators (TP'). Formal bildet der zusätzlich erste Multiplizierer (M1') und der zusätzliche Filter und/oder Integrator (TP') ein Skalarprodukt des reduzierten Empfangssignals (S1) und des orthogonalen Referenzsignals (S5'). Der Wert des zusätzlichen Filterausgangssignals (S4') gibt dann an, wieviel vom orthogonalen Referenzsignal (S5') anteilig im reduzierten Empfangssignal (S1) vorhanden ist. Dieses zusätzliche Filterausgangssignal (S4') kann man mit einem weiteren Fourier-Koeffizienten in seiner Funktion vergleichen. Ein zusätzlicher zweiter Multiplizierer (M2') multipliziert das zusätzliche Filterausgangssignal (S4') mit dem orthogonalen Referenzsignal (S5') und bildet so das zusätzliche Rückkoppelsignal (S6'). Ist die Verstärkung des zusätzlichen Filters und/oder Integrators (TP') sehr groß, so enthält das reduzierte Empfangssignal (S1) typischerweise bis auf einen Regelfehler bei Stabilität keinen Anteil des orthogonalen Referenzsignales (S5') mehr. Der Wert des zusätzlichen Filterausgangssignals (S4) ist dann ein Maß für die Amplitude der Fluoreszenzstrahlung (FL), die den Empfänger (PD1) zu Zeiten erreicht, in denen keine Pumpstrahlung (LB) von der Pumpstrahlungsquelle (PL1) ausgesendet wird. Dieses zusätzliche Empfängerausgangssignal (S4') wird dann als zusätzliches Sensorausgangssignal (out') über eine der Lead-Frame-Flächen mittels eines Bond-Drahtes ausgegeben. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass bei einer Messung über das zusätzliche Sensorausgangssignal (out') der Filter (F1) sowie der entsprechende erste Kleber zum Befestigen des ersten Filters (F1) entfallen kann, was die Kosten des Systems weiter signifikant senkt.An additional first multiplier ( M1 ' ) multiplies the reduced received signal ( S1 ) with the orthogonal reference signal ( S5 ' ) and thus forms the additional filter input signal ( S3 ' ). In the additional filter and / or integrator ( TP ' ) the DC component of the additional filter input signal ( S3 ' ) let through. The result is the additional filter output signal ( S4 ' ) as the output signal of the additional filter and / or integrator ( TP ' ). Formally, the additional first multiplier ( M1 ' ) and the additional filter and / or integrator ( TP ' ) a scalar product of the reduced received signal ( S1 ) and the orthogonal reference signal ( S5 ' ). The value of the additional filter output signal ( S4 ' ) then indicates how much of the orthogonal reference signal ( S5 ' ) proportionally in the reduced received signal ( S1 ) is available. This additional filter output signal ( S4 ' ) can be compared in its function with another Fourier coefficient. An additional second multiplier ( M2 ' ) multiplies the additional filter output signal ( S4 ' ) with the orthogonal reference signal ( S5 ' ) and thus forms the additional feedback signal ( S6 ' ). Is the gain of the additional filter and / or integrator ( TP ' ) very large, the reduced received signal contains ( S1 ) typically no part of the orthogonal reference signal except for a control error in stability ( S5 ' ) more. The value of the additional filter output signal ( S4 ) is then a measure of the amplitude of the fluorescence radiation ( FL ) that the recipient ( PD1 ) reached at times when there is no pump radiation ( LB ) from the pump radiation source ( PL1 ) is sent out. This additional receiver output signal ( S4 ' ) is then used as an additional sensor output signal ( out' ) is output via one of the lead frame surfaces using a bond wire. The advantage of this arrangement is that when measuring via the additional sensor output signal ( out' ) the filter ( F1 ) as well as the corresponding first adhesive for attaching the first filter ( F1 ) can be omitted, which further significantly reduces the costs of the system.
Somit realisiert dieses System dann ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems wobei das Sensorsystem und/oder quantentechnologischen System ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologischen Systems ist, umfasst. Mittels eines Sendesignals (S5) erfolgt ein moduliertes Aussenden einer modulierten Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB). Ein paramagnetisches Zentrum (NV1) in einem Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements erzeugt eine modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) die von der modulierten Pumpstrahlung (LB) abhängt. Wie bereits beschrieben handelt es sich bei dem paramagnetischen Zentrum bevorzugt um ein NV-Zentrum in einem Diamanten als Sensorelement. Wie ebenfalls erwähnt, ist die modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) typischerweise gegenüber der modulierten Pumpstrahlung (LB) zeitlich phasenverschoben. Das paramagnetisches Zentrum (NV1) in dem Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements leuchtet also nach der Anregung durch die modulierte Pumpstrahlung (LB) nach und gibt auch dann noch modulierte Fluoreszenzstrahlung (FL) ab, wenn keine modulierte Pumpstrahlung (LB) auf das paramagnetisches Zentrum (NV1) in dem Material des Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements mehr eingestrahlt wird. Dieses Nachleuchten wird durch das zusätzliche Sensorausgangssignal (out') hier repräsentiert. Es erfolgt somit das Empfangen der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) und das Erzeugen eines Empfangssignals (S0). Zur Bestimmung des Nachleuchtens erfolgt das Bestimmen der Intensität der modulierten Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) in dem Material des Sensorelements zu Zeiten, wenn das modulierte Aussenden der modulierten Pumpstrahlung (LB) insbesondere durch die Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB) nicht stattfindet. Das entsprechende Maß ist jeweils der Wert des zusätzlichen Sensorausgangssignals (out')This system then implements a method for operating a sensor system and / or quantum technological system, the sensor system and / or quantum technological system having a paramagnetic center ( NV1 ) in the material of a sensor element and / or quantum technological device element that is part of the sensor system and / or quantum technological system. By means of a transmission signal ( S5 ) there is a modulated emission of a modulated pump radiation ( LB ) in particular by the pump radiation source ( PL1 ) for pump radiation ( LB ). A paramagnetic center ( NV1 ) in a material of a sensor element and / or quantum technological device element generates a modulated fluorescence radiation ( FL ) from the modulated pump radiation ( LB ) depends. As already described, the paramagnetic center is preferably an NV center in a diamond as a sensor element. As also mentioned, the modulated fluorescence radiation ( FL ) typically compared to the modulated pump radiation ( LB ) phase shifted in time. The paramagnetic center ( NV1 ) in the material of the sensor element and / or quantum technological device element therefore lights up after the excitation by the modulated pump radiation ( LB ) and then gives off modulated fluorescence radiation ( FL ) if there is no modulated pump radiation ( LB ) on the paramagnetic center ( NV1 ) is irradiated more in the material of the sensor element and / or quantum technological device element. This afterglow is caused by the additional sensor output signal ( out' ) represented here. The modulated fluorescence radiation is thus received ( FL ) and generating a received signal ( S0 ). To determine the afterglow, the intensity of the modulated fluorescence radiation is determined ( FL ) of the paramagnetic center ( NV1 ) in the material of the sensor element at times when the modulated emission of the modulated pump radiation ( LB ) in particular by the pump radiation source ( PL1 ) for pump radiation ( LB ) not taking place. The corresponding dimension is the value of the additional sensor output signal ( out' )
Ein zweiter Addierer (A2) summiert das Rückkoppelsignal (S6) und das zusätzliche Rückkoppelsignal (S6') zum komplexen Rückkoppelsignal (S8) wodurch der Regelkreis geschlossen wird. Die Vorzeichen und die Verstärkung der Filter und/oder Integrator (TP und TP') werden so gewählt, dass sich Stabilität im Regelkreis einstellt und im Wesentlichen das reduzierte Empfangssignal (S1) keine Komponenten des komplexen Rückkoppelsignals (S8) und des Sendesignals (S5) bis auf Systemrauschen und Regelfehler mehr enthält.A second adder ( A2 ) sums the feedback signal ( S6 ) and the additional feedback signal ( S6 ' ) to the complex feedback signal ( S8 ) whereby the control loop is closed. The sign and the gain of the filter and / or integrator ( TP and TP ' ) are chosen in such a way that stability is established in the control loop and essentially the reduced received signal ( S1 ) no components of the complex feedback signal ( S8 ) and the transmission signal ( S5 ) contains more except for system noise and control errors.
Figur 6Figure 6
6 zeigt ein System der 2 ohne den ersten Filter (F1) und ohne den ersten Kleber. Es entspricht von seiner Grundstruktur her einem System nach 5. 6 shows a system of 2 without the first filter ( F1 ) and without the first glue. Its basic structure corresponds to a system 5 .
Bei dem System der 6 handelt es sich somit um ein Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System, wobei das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System ein paramagnetisches Zentrum (NV1) im Material eines Sensorelements und/oder quantentechnologischen Vorrichtungselements, das Teil des Sensorsystems und/oder quantentechnologisches System ist, umfasst und wobei das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System eine Pumpstrahlungsquelle (PL1) für Pumpstrahlung (LB), insbesondere eine LED oder einen Laser, umfasst. Die von der Pumpstrahlungsquelle (PL1) zu ersten Zeiten emittierte Pumpstrahlung (LB) veranlasst das paramagnetisches Zentrum (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL). Diese ist phasenverschoben gegenüber der Pumpstrahlung (LB). Das Sensorsystem und/oder quantentechnologisches System umfasst daher Mittel (PD1, A1, M1, TP, M2, A2, G, M1', TP', M2'), beispielsweise die der 5, die zu zweiten Zeiten, die von den ersten Zeiten verschieden sind, die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum (NV1) erfassen. Beispielsweise kann die Pumpstrahlung (LB) durch ein PWM-Signal als Sendesignal (S5) mit einem beispielshaften Duty-Cycle von 50% moduliert sein. Das orthogonale Referenzsignal (S5') ist dann beispielsweise ebenfalls bevorzugt ein PWM-Signal mit 50% Duty-Cycle, das bevorzugt um 90° gegenüber dem Sendesignal (S5) phasenverschoben ist, wenn die Pegel des Sendesignals (S5) und des orthogonalen Referenzsignals (S5') symmetrisch um 0 angelegt sind, also beispielsweise zwischen 1 und -1 hin und herspringen. Sind die Pegel mit 1 und 0 angelegt, so ist das orthogonale Referenzsignal (S5') bevorzugt 180° gegen das Sendesignal (S5) verschoben, also gegenüber dem Sendesignal (S5) invertiert. Andere Orthogonalitätskombinationen (z.B. unterschiedliche Frequenzen) sind denkbar. Im Falle der Pegeldefinition mit 0 und 1 ist der Betrieb von LEDs oder Lasern als Pumpstrahlungsquelle (PL1) besonders vorteilhaft. Das beispielsweise entsprechend 21 gebildete zusätzlichen Sensorausgangssignals (out') repräsentiert dann einen Wert für die Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum s(NV1) zu Zeiten, da keine Pumpstrahlung (LB) ausgesendet wird. Da der zeitliche Verlauf des Nachleuchtens der paramagnetischen Zentren (NV1) bekannt und damit die Phasenverschiebung vorbestimmt ist, hängt dieser Wert, der durch das zusätzliche Sensorausgangssignal (out') repräsentiert wird, dann von der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum (NV1) und damit beispielsweise von dem diese Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrum (NV1) beeinflussenden magnetischen Fluss am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) ab. Der Vorteil ist, dass auf diese Weise nur noch drei Komponenten in das Gehäuse montiert werden müssen.In the system of 6 it is thus a sensor system and / or quantum technological system, the sensor system and / or quantum technological system having a paramagnetic center ( NV1 ) in the material of a Sensor element and / or quantum technological device element that is part of the sensor system and / or quantum technological system, and wherein the sensor system and / or quantum technological system is a pump radiation source ( PL1 ) for pump radiation ( LB ), in particular an LED or a laser. The from the pump radiation source ( PL1 ) pump radiation emitted at the beginning ( LB ) causes the paramagnetic center ( NV1 ) to emit fluorescence radiation ( FL ). This is out of phase with the pump radiation ( LB ). The sensor system and / or quantum technological system therefore includes means ( PD1 , A1 , M1 , TP , M2 , A2 , G , M1 ' , TP ' , M2 ' ), for example the 5 , which at second times, which are different from the first times, the fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic center ( NV1 ) to capture. For example, the pump radiation ( LB ) by a PWM signal as a transmit signal ( S5 ) be modulated with an exemplary duty cycle of 50%. The orthogonal reference signal ( S5 ' ) then, for example, a PWM signal with 50% duty cycle is also preferred, which is preferably 90 ° compared to the transmission signal ( S5 ) is out of phase when the level of the transmitted signal ( S5 ) and the orthogonal reference signal ( S5 ' ) are symmetrical around 0, e.g. jumping back and forth between 1 and -1. If the levels are 1 and 0, the orthogonal reference signal ( S5 ' ) preferably 180 ° against the transmission signal ( S5 ) shifted, i.e. compared to the transmission signal ( S5 ) inverted. Other combinations of orthogonality (eg different frequencies) are conceivable. In the case of the level definition with 0 and 1, the operation of LEDs or lasers as pump radiation source ( PL1 ) particularly advantageous. For example, accordingly 21st generated additional sensor output signal ( out' ) then represents a value for the fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic center s ( NV1 ) at times when there is no pump radiation ( LB ) is sent out. Since the time course of the afterglow of the paramagnetic centers ( NV1 ) is known and thus the phase shift is predetermined, this value depends on the additional sensor output signal ( out' ) is represented, then by the fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic center ( NV1 ) and thus, for example, from which this fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic center ( NV1 ) influencing magnetic flux at the location of the paramagnetic center ( NV1 ) from. The advantage is that in this way only three components have to be installed in the housing.
Figur 7Figure 7
Durch eine Richtungsverstimmung der Kristallrichtung des Sensorelements, also beispielsweise eines Diamantkristalls mit NV-Zentren als paramagnetische Zentren, gegenüber der Richtung der magnetischen Flussdichte B (De-Kalibrierung) wird eine schlechte Quantenzahl zugrunde gelegt, die zu einer Mischung der Quantenzustände und damit zu einer Abnahme der Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) führt. Es wird ein zusätzliches Magnetfeld angelegt, das nicht in Richtung der ersten Richtung der Kristallachse zeigt. Bei Gleichausrichtung der magnetischen Flussdichte zu bestimmten Kristallachsen treten Resonanzen auf. In diesem Zusammenhang sei auf die zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Offenlegung unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 127 394.0 , deren Offenbarungsgehalt vollumfänglicher Teil dieser Offenlegung ist Resonanzpunkte (Peaks) sind nur bei Ausrichtung der Magnetfeldrichtung zur Kristallachse erkennbar. 7 zeigt den sich ergebenden Verlauf bei Dekalibrierung der Ausrichtung (also einer unterschiedlichen ersten und zweiten Richtung). Erst dann ist eine beliebige Ausrichtung des Magnetfeldes möglich. Wie leicht in der 7 erkennbar ist, ist die die Abhängigkeit zwischen der Magnetischen Flussdichte B und der Fluoreszenz in einem optimalen Arbeitspunktbereich am größten. Durch einen zusätzlichen Permanentmagneten und/oder eine bestromte elektrische Spule kann dem zu messenden Feld ein Bias-Feld überlagert werden, wodurch die Änderung der Fluoreszenz maximiert wird.If the direction of the crystal direction of the sensor element, for example a diamond crystal with NV centers as paramagnetic centers, is misaligned with respect to the direction of the magnetic flux density B (de-calibration), a poor quantum number is used, which leads to a mixture of the quantum states and thus to a decrease the intensity of the fluorescence radiation ( FL ) leads. An additional magnetic field is applied which does not point in the direction of the first direction of the crystal axis. If the magnetic flux density is aligned with certain crystal axes, resonances occur. In this context, reference is made to the German patent application that was unpublished at the time of filing this disclosure DE 10 2018 127 394.0 , the disclosure content of which is a full part of this disclosure. Resonance points (peaks) are only recognizable when the direction of the magnetic field is aligned with the crystal axis. 7th shows the course resulting from decalibration of the alignment (i.e. a different first and second direction). Only then is any orientation of the magnetic field possible. How easy in the 7th can be seen, the dependence between the magnetic flux density B and the fluorescence is greatest in an optimal operating point range. A bias field can be superimposed on the field to be measured by means of an additional permanent magnet and / or an electrical coil that is energized, thereby maximizing the change in fluorescence.
Eine Nichtausrichtung der ersten Richtung gegenüber der zweiten Richtung lässt sich daran erkennen, dass im Wesentlichen keine Resonanzen auftreten. Natürlich kann man jederzeit das magnetische Feld so ausrichten, dass diese Resonanzen auftreten. Wenn eine Vorrichtung aber dazu bestimmt und geeignet ist, auch Magnetfelder zu vermessen, bei denen die erste und zweite Richtung nicht übereinstimmen, so liegt sie auch dann im Beanspruchungsbereich der entsprechenden Ansprüche sofern deren übrige Merkmale zutreffen und zwar auch dann wenn sie bei einer bestimmten Magnetfeldrichtung die besagten Resonanzen aufweist.A non-alignment of the first direction with respect to the second direction can be recognized from the fact that essentially no resonances occur. Of course, you can always align the magnetic field so that these resonances occur. However, if a device is intended and suitable for measuring magnetic fields in which the first and second directions do not match, then it is also within the scope of the corresponding claims if their other features apply, even if they are in a certain magnetic field direction has the said resonances.
Durch das Vermeiden der Resonanzfälle ergibt sich somit die in wesentlichen Bereichen monoton fallende Kurve der 7, die dann in diesen Bereichen auch bijektiv und damit kalibrierbar ist. Erst dann wird es möglich, in einer Massenproduktion ein Messsystem zu produzieren.By avoiding the resonance cases, the curve of FIG 7th which is then also bijective and can therefore be calibrated in these areas. Only then will it be possible to mass-produce a measuring system.
Figur 8Figure 8
28a zeigt wieder den sich ergebenden Verlauf der Fluoreszenzintensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) des paramagnetischen Zentrums (NV1) bei Dekalibrierung der Ausrichtung. Die Figur entspricht der 7. Erst dann ist eine beliebige Ausrichtung des Magnetfeldes möglich. Wie leicht in der 8 erkennbar ist, ist die die Abhängigkeit zwischen der magnetischen Flussdichte B und der Fluoreszenzintensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) in einem optimalen Arbeitspunktbereich am größten. Durch einen zusätzlichen Permanentmagneten und/oder eine bestromte elektrische Kompensationsspule (LC) kann dem zu messenden Feld ein Bias-Feld überlagert werden, wodurch die Änderung der Fluoreszenzstrahlungsintensität maximiert wird. 28a again shows the resulting course of Fluorescence intensity of the fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic center ( NV1 ) when decalibrating the alignment. The figure corresponds to the 7th . Only then is any orientation of the magnetic field possible. How easy in the 8th can be seen, is the relationship between the magnetic flux density B and the fluorescence intensity of the fluorescence radiation ( FL ) largest in an optimal operating point range. A bias field can be superimposed on the field to be measured by means of an additional permanent magnet and / or an electrical compensation coil (LC) that is energized, whereby the change in the fluorescence radiation intensity is maximized.
Eine Nichtausrichtung der ersten Richtung gegenüber der zweiten Richtung lässt sich daran erkennen, dass keine Resonanzen auftreten. Natürlich kann man jederzeit das magnetische Feld so ausrichten, dass diese Resonanzen auftreten. Wenn eine Vorrichtung aber dazu bestimmt und geeignet ist, auch Magnetfelder zu vermessen, bei denen die erste und zweite Richtung nicht übereinstimmen, so liegt sie auch dann im Beanspruchungsbereich der entsprechenden Ansprüche sofern deren übrige Merkmale zutreffen und zwar auch dann wenn sie bei einer bestimmten Magnetfeldrichtung die besagten Resonanzen aufweist.A non-alignment of the first direction with respect to the second direction can be recognized from the fact that no resonances occur. Of course, you can always align the magnetic field so that these resonances occur. However, if a device is intended and suitable for measuring magnetic fields in which the first and second directions do not match, then it is also within the scope of the corresponding claims if their other features apply, even if they are in a certain magnetic field direction has the said resonances.
Durch das Vermeiden der Resonanzfälle ergibt sich somit die in weiten Bereichen monoton fallende Kurve der 8a, die dann auch bijektiv und damit kalibrierbar ist. Erst dann wird es möglich in einer Massenproduktion ein Messsystem zu produzieren.Avoiding the resonance cases thus results in the curve of, which falls monotonically over wide areas 8a which is then also bijective and therefore calibratable. Only then will it be possible to mass-produce a measuring system.
Eine Differentiation der Kurve der 8a nach der magnetischen Flussdichte B ergibt in Etwa die Kurve der 8b. Der optimale Arbeitspunkt mit der größten Empfindlichkeit wird deutlich erkennbar.A differentiation of the curve of the 8a according to the magnetic flux density B approximately gives the curve of 8b . The optimum working point with the greatest sensitivity is clearly visible.
Bevorzugt wird der eigentliche Arbeitspunkt eines Sensorsystems oberhalb dieses optimalen Arbeitspunktes gelegt, um sicherzustellen, dass die Regelung stets vorzeichenrichtig reagiert. Der Abstand zwischen dem gewählten Arbeitspunkt und dem optimalen Arbeitspunkt wird bevorzugt in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung so gewählt, dass ein Sprung des momentanen Systemzustands von dem Bereich rechts des optimalen Arbeitspunktes zu einem neuen Systemzustand links des optimalen Arbeitspunktes durch einen Sprung einer von außen zusätzlich überlagerten magnetischen Flussdichte unwahrscheinlich ist.The actual operating point of a sensor system is preferably placed above this optimal operating point in order to ensure that the control always reacts with the correct sign. The distance between the selected working point and the optimal working point is preferably chosen depending on the respective application so that a jump in the current system status from the area to the right of the optimal working point to a new system status to the left of the optimal working point is caused by a jump in an externally superimposed one magnetic flux density is unlikely.
Figur 9Figure 9
9 zeigt die Einstellung des optimalen Arbeitspunktes mittels einer mittels eines Reglers (RG) langsam nachgeregelten Arbeitspunktregelsignals (S9) zur Bestromung einer Kompensationsspule (LC), die die magnetische Flussdichte B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) nachregelt. 9 shows the setting of the optimum operating point by means of an operating point control signal (S9), which is slowly readjusted by means of a controller (RG), for energizing a compensation coil (LC), which sets the magnetic flux density B at the location of the paramagnetic center ( NV1 ) readjusts.
Figur 10Figure 10
10 zeigt das hier beanspruchte grundlegende Sensorsystem, dass dann in den folgenden Figuren weiter verfeinert wird. Die Pumpstrahlungsquelle (PL1) emittiert Pumpstrahlung (LB) in Abhängigkeit von einem Sendesignal (S5). Die Pumpstrahlung (LB) trifft auf das paramagnetische Zentrum (NV1) innerhalb des Sensorelements. Das paramagnetische Zentrum (NV1) wird in Abhängigkeit von der Intensität der Pumpstrahlung (LB) und dem Betrag des magnetischen Feldes B am Ort des paramagnetischen Zentrums (NV1) zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung (FL) veranlasst. 10 shows the basic sensor system claimed here, which is then further refined in the following figures. The pump radiation source ( PL1 ) emits pump radiation ( LB ) depending on a transmission signal ( S5 ). The pump radiation ( LB ) meets the paramagnetic center ( NV1 ) within the sensor element. The paramagnetic center ( NV1 ) is dependent on the intensity of the pump radiation ( LB ) and the magnitude of the magnetic field B at the location of the paramagnetic center ( NV1 ) to emit fluorescence radiation ( FL ).
Dabei weist die Fluoreszenzstrahlung (FL) typischerweise eine Fluoreszenzwellenlänge auf die von der Pumpwellenlänge der Pumpstrahlung (LB) abweicht. Bevorzugt handelt es sich bei dem paramagnetischen Zentrum (NV1) um ein NV-Zentrum in Diamant. Ein Sensorelement kann ein solcher Diamant sein. Es kann sich aber auch um mehrere Diamanten und/oder Diamantpulver und/oder Nanodiamanten handeln. Bevorzugt umfasst das Sensorelement mehrere paramagnetische Zentren. Bevorzugt liegen die paramagnetischen Zentren in einer besonders hohen Dichte vor.The fluorescence radiation ( FL ) typically a fluorescence wavelength to that of the pump wavelength of the pump radiation ( LB ) differs. The paramagnetic center is preferably ( NV1 ) around an NV center in Diamant. A sensor element can be such a diamond. However, there can also be several diamonds and / or diamond powder and / or nanodiamonds. The sensor element preferably comprises several paramagnetic centers. The paramagnetic centers are preferably present in a particularly high density.
Ein erster Filter (F1) ist bevorzugt für die Fluoreszenzstrahlung (FL) in dem Maße transparent, dass seine Absorptionswirkung bezogen auf die Fluoreszenzstrahlung (FL) hinsichtlich der zu erzielenden technischen Wirkung vernachlässigt werden kann.A first filter ( F1 ) is preferred for fluorescence radiation ( FL ) transparent to the extent that its absorption effect in relation to the fluorescent radiation ( FL ) can be neglected with regard to the technical effect to be achieved.
Ein erster Filter (F1) ist bevorzugt für die Pumpstrahlung (LB) in dem Maße nicht transparent, dass seine Transmissionswirkung bezogen auf die Pumpstrahlung (LB) hinsichtlich der zu erzielenden technischen Wirkung vernachlässigt werden kann.A first filter ( F1 ) is preferred for pump radiation ( LB ) not transparent to the extent that its transmission effect in relation to the pump radiation ( LB ) can be neglected with regard to the technical effect to be achieved.
Somit erreicht im Wesentlichen nur noch Fluoreszenzstrahlung (FL) den Empfänger (PD1). Dieser wandelt die Amplitudenmodulation der Intensität der Fluoreszenzstrahlung (FL) in ein Empfangssignal (S0) um. In einem ersten Multiplizierer (M1) wird das Empfangssignal (M1) mit dem Sendesignal (S5) oder einem aus dem Sendesignal (S5) beispielsweise durch Verzögerung abgeleiteten Signal zum Filtereingangssignal (S3) gemischt. Ein Filter, der bevorzugt ein Filter und/oder Integrator (TP) ist, filtert das Filtereingangssignal zur einem Filterausgangssignal (S4).Thus essentially only fluorescence radiation reaches ( FL ) the recipient ( PD1 ). This converts the amplitude modulation of the intensity of the fluorescence radiation ( FL ) into a received signal ( S0 ) around. In a first multiplier ( M1 ) the received signal ( M1 ) with the transmission signal ( S5 ) or one from the transmission signal ( S5 ) For example, the signal derived from the delay to the filter input signal ( S3 ) mixed. A filter that is preferably a filter and / or integrator ( TP ), filters the filter input signal to a filter output signal ( S4 ).
Der Signalgenerator (G) erzeugt das Sendesignal (S5). Beim Sendesignal (S5) kann es sich beispielsweise um ein PWM-Signal mit 50% Taktverhältnis (englisch: Duty-Cycle) handeln. Das Sendesignal (S5) besitzt typischerweise einen Gleichsignalanteil, der aber auch 0 sein kann. Das Sendesignal (S5) besitzt eine Sendesignalperiode. Bevorzugt am Ende der Sendesignalperiode vor dem Auftreten einer Flanke des Sendesignals (S5) erzeugt der Signalgenerator (G) ein Trigger-Signal (STR). Das Trigger-Signal (STR) weist bevorzugt einen ersten Signalzustand und einen zweiten Signalzustand auf. Das Trigger-Signal befindet sich während einer Sendesignalperiode im ersten Signalzustand. Nur am Ende der Sendesignalperiode des Sendesignals (S5) bringt der Signalgenerator (G) das Trigger-Signal (STR) in den zweiten Signalzustand.The signal generator ( G ) generates the transmission signal ( S5 ). At the transmit signal ( S5 ) it can be, for example, a PWM signal with a 50% duty cycle. The broadcast signal ( S5 ) typically has a DC signal component, which can also be 0. The broadcast signal ( S5 ) has a transmission signal period. Preferably on End of the transmission signal period before the occurrence of an edge of the transmission signal ( S5 ) the signal generator generates ( G ) a trigger signal ( STR ). The trigger signal ( STR ) preferably has a first signal state and a second signal state. The trigger signal is in the first signal state during a transmission signal period. Only at the end of the transmit signal period of the transmit signal ( S5 ) brings the signal generator ( G ) the trigger signal ( STR ) to the second signal state.
Die Halteschaltung (S&H) (englisch Sample&Hold) speichert den während der Phase des sich im zweiten Signalzustand befindenden Trigger-Signals (STR) zuletzt anliegenden Wert des Filterausgangssignals (S4) für die Dauer des anliegenden ersten Signalszustands des Trigger-Signals (STR). Erst mit dem Übergang des Trigger-Signals (STR) vom ersten Signalzustand in den zweiten Signalzustand wird typischerweise die Halteschaltung (S&H) transparent und das Sensorausgangssignal (out) folgt in dieser Phase eines im zweiten Signalzustand befindlichen Trigger-Signals (STR) dem Filterausgangssignal (S4). Mit dem Übergang des Trigger-Signals (STR) vom zweiten Signalzustand in den ersten Signalzustand friert die Halteschaltung (S&H) den Pegel des Sensorausgangssignals (out) ein, bis wieder ein Übergang vom ersten Signalzustand in den zweiten Signalzustand des Trigger-Signals (STR) eintritt. Hierdurch wird die Chopperfrequenz des Sendesignals (S5) massiv unterdrückt. Diese Unterdrückung kann bis zu 60dB betragen. Ohne diese Halteschaltung, wäre somit ein Filter 10-ter Ordnung als Filter und/oder Integrator (TP) notwendig, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Die Unterdrückung ist umso stärker je kürzer die zeitliche Dauer der Phase des zweiten Signalzustands des Trigger-Signals (STR) relativ zur Sendesignalperiode ist. Bevorzugt befindet sich die Phase des zweiten Signalzustands des Trigger-Signals (STR) am Ende oder fast am Ende einer Sendesignalperiode. Diese zeitliche Platzierung der Phase des zweiten Signalzustands des Trigger-Signals (STR) am Ende oder fast am Ende einer Sendesignalperiode hat den Vorteil, dass eine unvermeidliche Tiefpass-Charakteristik der Pumpstrahlungsquelle (PL1), des paramagnetischen Zentrums (NV1) und des Empfängers (PD1) und ggf. weiterer im Signalpfad befindlichen Elemente sich zum Ende einer Sendesignalperiode geringer auswirkt. Ist der Filter und/oder Integrator (TP) ein Integrator, so sorgt die Halteschaltung dafür, dass aus dem unbestimmten Integral, das der Integrator bildet, ein bestimmtes Integral wird, wobei bei einer zeitlichen Platzierung der Phase des zweiten Signalzustands des Trigger-Signals (STR) am Ende oder fast am Ende einer Sendesignalperiode die Integration dann von 0 bis 2π über eine Sendesignalperiode läuft. Es kann beispielsweise leicht nachgerechnet werden, dass das Integral von sin(ω)cos(ω) nur dann verschwindet, wenn immer nur über eine ganze Periode integriert wird. Der Fehler, der ansonsten auftritt, führt zu einem massiv verringerten Störabstand und einem Verlust von bis zu 60dB Auflösung.The hold circuit ( S&H ) (English Sample & Hold) saves the trigger signal during the phase of the second signal state ( STR ) last applied value of the filter output signal ( S4 ) for the duration of the pending first signal state of the trigger signal ( STR ). Only with the transition of the trigger signal ( STR ) from the first signal state to the second signal state is typically the hold circuit ( S&H ) transparent and the sensor output signal ( out ) follows in this phase a trigger signal in the second signal state ( STR ) the filter output signal ( S4 ). With the transition of the trigger signal ( STR ) from the second signal state to the first signal state the hold circuit freezes ( S&H ) the level of the sensor output signal ( out ) until there is another transition from the first signal state to the second signal state of the trigger signal ( STR ) entry. This increases the chopper frequency of the transmission signal ( S5 ) massively suppressed. This suppression can be up to 60dB. Without this holding circuit, a 10th order filter would be used as a filter and / or integrator ( TP ) necessary to achieve the same effect. The suppression is stronger, the shorter the duration of the phase of the second signal state of the trigger signal ( STR ) is relative to the transmit signal period. The phase of the second signal state of the trigger signal is preferably ( STR ) at the end or almost at the end of a transmission signal period. This temporal placement of the phase of the second signal state of the trigger signal ( STR ) at the end or almost at the end of a transmission signal period has the advantage that an unavoidable low-pass characteristic of the pump radiation source ( PL1 ), the paramagnetic center ( NV1 ) and the recipient ( PD1 ) and possibly other elements in the signal path have a smaller effect at the end of a transmission signal period. Is the filter and / or integrator ( TP ) an integrator, the holding circuit ensures that the indefinite integral that the integrator forms becomes a definite integral, with the phase of the second signal state of the trigger signal ( STR ) at the end or almost at the end of a transmission signal period, the integration then runs from 0 to 2π over a transmission signal period. For example, it can easily be calculated that the integral of sin (ω) cos (ω) only disappears if integration is only ever carried out over a whole period. The error that otherwise occurs leads to a massively reduced signal-to-noise ratio and a loss of up to 60dB resolution.
Figur 11Figure 11
11 entspricht der 2. Die 2 ist um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR) ergänzt. Die 11 entspricht auch der 10. Die 10 ist um den zweiten Multiplizierer (M2) ergänzt. Der zweite Multiplizierer (M2) mischt das Sensorausgangssignal (out) mit dem Sendesignal (S5) zum Rückkoppelsignal (S6). Das Rückkoppelsignal ist wird dabei bevorzugt komplementär zum Sendesignal (S5) gebildet. Dies kann durch Hinzunahme der Multiplikation mit einem geeigneten Vorzeichen und einem geeigneten Offset geschehen, was zur Vereinfachung nicht eingezeichnet ist. Das Rückkoppelsignal (S6) wird in dem ersten Addierer (A1) vom dem Empfangssignal (S0) abgezogen. Der erste Addierer (A1) bildet so das reduzierte Empfangssignal (S1), dass als Eingangssignal für den ersten Multiplizierer (M1) anstelle des Empfangssignals (S0) in 10 nun verwendet wird. Durch die komplementräre Gestaltung des Rückkoppelsignals (S6) ergibt sich im eingeschwungenen Zustand der Regelung bevorzugt im Wesentlichen ein Gleichsignal als reduziertes Empfangssignal (S1). Die Störungen durch die besagten Tiefpasseigenschaften der Pumpstrahlungsquelle (PL1), des Empfängers (PD1) und des paramagnetischen Zentrums können bei dieser Betrachtung zunächst vernachlässigt werden. 11 equals to 2 . The 2 is about the hold circuit ( S&H ) and the trigger signal ( STR ) added. The 11 also corresponds to the 10 . The 10 is around the second multiplier ( M2 ) added. The second multiplier ( M2 ) mixes the sensor output signal ( out ) with the transmission signal ( S5 ) to the feedback signal ( S6 ). The feedback signal is preferably complementary to the transmission signal ( S5 ) educated. This can be done by adding the multiplication with a suitable sign and a suitable offset, which is not shown for the sake of simplicity. The feedback signal ( S6 ) is in the first adder ( A1 ) from the received signal ( S0 ) deducted. The first adder ( A1 ) thus forms the reduced received signal ( S1 ) that as the input signal for the first multiplier ( M1 ) instead of the received signal ( S0 ) in 10 is now used. Due to the complementary design of the feedback signal ( S6 ) in the steady state of the control, there is preferably essentially a constant signal as a reduced received signal ( S1 ). The interference caused by the said low-pass properties of the pump radiation source ( PL1 ), Recipient ( PD1 ) and the paramagnetic center can initially be neglected in this consideration.
Figur 12Figure 12
In analoger Weise zeigt 12 das System der 3 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR).Shows in an analogous manner 12th the system of 3 supplemented by the hold circuit ( S&H ) and the trigger signal ( STR ).
Figur 13Figure 13
In analoger Weise zeigt 13 das System der 4 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR).Shows in an analogous manner 13 the system of 4th supplemented by the hold circuit ( S&H ) and the trigger signal ( STR ).
Figur 14Figure 14
In analoger Weise zeigt 14 das System der 5 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR).Shows in an analogous manner 14th the system of 5 supplemented by the hold circuit ( S&H ) and the trigger signal ( STR ).
Figur 15Figure 15
In analoger Weise zeigt 15 das System der 6 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR).Shows in an analogous manner 15th the system of 6 supplemented by the hold circuit ( S&H ) and the trigger signal ( STR ).
Figur 16Figure 16
In analoger Weise zeigt 16 das System der 9 ergänzt um die Halteschaltung (S&H) und das Trigger-Signal (STR).Shows in an analogous manner 16 the system of 9 supplemented by the hold circuit ( S&H ) and the trigger signal ( STR ).
BezugszeichenlisteList of reference symbols
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A1A1
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erster Addierer;first adder;
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A2A2
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zweiter Addierer;second adder;
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BA1BA1
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erste Barriere;first barrier;
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BA2BA2
-
zweite Barriere;second barrier;
-
F1F1
-
erster Filter. Der erste Filter ist transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Bevorzugt handelt es sich dabei um die Fluoreszenzstrahlung eines NV-Zentrums, wobei das Sensorelement bevorzugt ein Nano-Diamant mit Diamant als Material ist;first filter. The first filter is transparent to the fluorescence radiation ( FL ) the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element. This is preferably the fluorescence radiation of an NV center, the sensor element preferably being a nano-diamond with diamond as the material;
-
FLFL
-
Fluoreszenzstrahlung der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Bevorzugt handelt es sich dabei um die Fluoreszenzstrahlung eines NV-Zentrums, wobei das Sensorelement bevorzugt ein Nano-Diamant mit Diamant als Material ist;Fluorescence radiation of the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element. This is preferably the fluorescence radiation of an NV center, the sensor element preferably being a nano-diamond with diamond as the material;
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GG
-
Signalgenerator;Signal generator;
-
GeGe
-
Befestigungsmittel, mit dem das Sensorelement mit den paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements an dem ersten Filter (F1) und/oder an der integrierten Schaltung (IC) und/oder an der Pumpstrahlungsquelle (PL1) befestigt ist. Das Befestigungsmittel ist vorzugsweise transparent für Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Das Befestigungsmittel ist bevorzugt transparent für die Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements. Das Befestigungsmittel ist bevorzugt transparent für die Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1).Fixing means with which the sensor element with the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element on the first filter ( F1 ) and / or on the integrated circuit ( IC ) and / or at the pump radiation source ( PL1 ) is attached. The fastening means is preferably transparent to fluorescent radiation ( FL ) of the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element. The fastening means is preferably transparent for the fluorescent radiation ( FL ) of the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element. The fastening means is preferably transparent for the pump radiation ( LB ) the pump radiation source ( PL1 ).
-
ICIC
-
integrierte Schaltung;integrated circuit;
-
L1L1
-
erste Spule. Die erste Spule ist ein optionales Element, das bevorzugt ein Teil der integrierten Schaltung (IC) ist und ein magnetisches Feld erzeugen kann. Bevorzugt wird die erste Spule von dem integrierten Schaltkreis bestromt.first coil. The first coil is an optional element that is preferably part of the integrated circuit ( IC ) and can generate a magnetic field. The first coil is preferably energized by the integrated circuit.
-
LBLB
-
Pumpstrahlung;Pump radiation;
-
M1M1
-
erster Multiplizierer;first multiplier;
-
M1'M1 '
-
zusätzlicher erster Multiplizierer;additional first multiplier;
-
M2M2
-
zweiter Multiplizierer;second multiplier;
-
M2'M2 '
-
zusätzlicher zweiter Multiplizierer;additional second multiplier;
-
NV1NV1
-
paramagnetisches Zentrum im Material des Sensorelements. Die paramagnetischen Zentren strahlen bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) der Pumpstrahlungsquelle (PL1) Fluoreszenzstrahlung (FL) ab. Diese Fluoreszenzstrahlung eines parametrischen Zentrums hängt dabei typischerweise von der magnetischen Flussdichte am Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums ab. Die Kristallausrichtung des Materials des Sensorelements kann diese Abstrahlung typischerweise und die Abhängigkeit dieser Abstrahlung der Fluoreszenzstrahlung (FL) vom magnetischen Fluss B beeinflussen. Bei dem paramagnetischen Zentrum handelt es sich bevorzugt um ein NV Zentrum. Bei dem Material handelt es sich bevorzugt um Diamant. Bei dem Sensorelement handelt es sich bevorzugt um einen Diamant-Kristall, noch mehr bevorzugt um einen Diamant-Nanokristall. Es kann sich auch um mehrere Kristalle mit mehreren paramagnetischen Zentren, also beispielsweise um mehrere Diamantkristalle mit mehreren NV-Zentren und/oder anderen geeigneten Störstellen, handeln;paramagnetic center in the material of the sensor element. The paramagnetic centers radiate when irradiated with pump radiation ( LB ) the pump radiation source ( PL1 ) Fluorescence radiation ( FL ) from. This fluorescence radiation from a parametric center typically depends on the magnetic flux density at the location of the respective paramagnetic center. The crystal orientation of the material of the sensor element can typically determine this radiation and the dependence of this radiation of the fluorescence radiation ( FL ) from the magnetic flux B. The paramagnetic center is preferably an NV center. The material is preferably diamond. The sensor element is preferably a diamond crystal, even more preferably a diamond nanocrystal. It can also be several crystals with several paramagnetic centers, for example several diamond crystals with several NV centers and / or other suitable impurities;
-
OFOF
-
Anpassschaltung;Matching circuit;
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outout
-
Sensorausgangssignal;Sensor output signal;
-
out'out'
-
zusätzliches Sensorausgangssignal;additional sensor output signal;
-
PD1PD1
-
Empfänger. Der Empfänger ist für das Fluoreszenzstrahlung (FL) der paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements empfindlich. Bevorzugt handelt es sich dabei um die Fluoreszenzstrahlung (FL) eines NV-Zentrums, wobei das Sensorelement bevorzugt ein Nano-Diamant mit Diamant als Material ist. Bevorzugt ist der Empfänger ein Teil der integrierten Schaltung (IC). Bevorzugt handelt es sich um eine Fotodiode. Es kann sich beispielsweise um eine APD (avalanche photo diode) oder eine SPAD (single photo avalanche diode) etc. handeln;Receiver. The receiver is for the fluorescence radiation ( FL ) of the paramagnetic centers ( NV1 ) sensitive in the material of the sensor element. It is preferably fluorescent radiation ( FL ) an NV center, the sensor element preferably being a nano-diamond with diamond as the material. The receiver is preferably part of the integrated circuit ( IC ). It is preferably a photodiode. It can be, for example, an APD (avalanche photo diode) or a SPAD (single photo avalanche diode), etc.;
-
PL1PL1
-
Pumpstrahlungsquelle. Es handelt sich bevorzugt um eine LED. Es kann sich aus um eine andere geeignete Strahlungsquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode oder eine andere geeignete Lichtquelle. Die Pumpstrahlungsquelle strahlt Pumpstrahlung (LB) aus, die die paramagnetischen Zentren (NV1) im Material des Sensorelements zur Abstrahlung von Fluoreszenzstrahlung (FL) anregt;Pump radiation source. It is preferably an LED. It can consist of another suitable radiation source, such as a laser diode or another suitable light source. The pump radiation source emits pump radiation ( LB ), which are the paramagnetic centers ( NV1 ) in the material of the sensor element to emit fluorescence radiation ( FL ) stimulates;
-
PLKPLK
-
Kompensationsstrahlungsquelle. Die Kompensationsstrahlungsquelle kann auch eine LED oder eine Laserdiode oder eine andere geeignete Lichtquelle sein;Compensation radiation source. The compensation radiation source can also be an LED or a laser diode or another suitable light source;
-
S0S0
-
Empfangssignal;Received signal;
-
S1S1
-
reduziertes Empfangssignal;reduced received signal;
-
S3S3
-
Filtereingangssignal;Filter input signal;
-
S3'S3 '
-
zusätzliches Filtereingangssignal;additional filter input signal;
-
S4S4
-
Filterausgangssignal;Filter output signal;
-
S4'S4 '
-
zusätzliches Filterausgangssignal;additional filter output signal;
-
S5S5
-
Sendesignal;Transmit signal;
-
S5'S5 '
-
orthogonales Referenzsignal;orthogonal reference signal;
-
S6S6
-
Rückkoppelsignal;Feedback signal;
-
S6'S6 '
-
zusätzliches Rückkoppelsignal;additional feedback signal;
-
S7S7
-
Kompensationssendesignal;Compensation transmission signal;
-
S8S8
-
komplexes Rückkoppelsignal;complex feedback signal;
-
STRSTR
-
Trigger-Signal;Trigger signal;
-
S&HS&H
-
Halteschaltung (englisch Sample & Hold-Schaltung);Hold circuit (English sample & hold circuit);
-
S&H'S&H '
-
zusätzliche Halteschaltung (englisch Sample & Hold-Schaltung);additional hold circuit (sample & hold circuit);
-
TPTP
-
Filter, insbesondere ein Tiefpassfilter und/oder Integrator;Filters, in particular a low-pass filter and / or integrator;
-
TP'TP '
-
zusätzlicher Filter, insbesondere ein zusätzlicher Tiefpassfilter und/oder zusätzlicher Integrator;additional filter, in particular an additional low-pass filter and / or additional integrator;
Liste der zitierten SchriftenList of scriptures cited
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DE 10 2017 122 365 B3 , DE 10 2017 122 365 B3 ,
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DE 10 2018 127 394 .0 ; DE 10 2018 127 394 .0 ;
-
DE 10 2019 114 032.3DE 10 2019 114 032.3
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EP 1490 772 B1 , EP 1490 772 B1 ,
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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DE 102019120076 [0001]DE 102019120076 [0001]
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DE 102019121137 [0002]DE 102019121137 [0002]
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DE 102018127394 [0009, 0040, 0061]DE 102018127394 [0009, 0040, 0061]
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DE 102017122365 B3 [0061]DE 102017122365 B3 [0061]
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DE 102019114032 [0061]DE 102019114032 [0061]
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EP 1490772 B1 [0061]EP 1490772 B1 [0061]